evacuateur de crues et ouvrages annexes

8/18/2019 Evacuateur de crues et ouvrages annexes

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Le choix, l’emplacement, le dimensionnement de l’évacuateursont des questions essentielles pour la construction d’unbarrage (sécurité, longévité).

Le barrage, même s’il retient les écoulements, ne peut, engénéral, contenir les crues exceptionnelles et il est aussiintéressant de laisser passer de l’eau vers l’aval. C’est à cettefin que l’on dimensionne sur tout ou partie de l’ouvrage unévacuateur de crues.

Celui-ci doit être à même de fonctionner automatiquement pourfaire face à une montée brutale des eaux.

Il doit aussi pouvoir évacuer les débits les plus élevés du cours

d’eau.

En Afrique, la priorité est donnée aux évacuateurs à surfacelibre.

En général, l’évacuateur n’occupe qu’une partie du barrage.


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Après franchissement du seuil déversant, l’eau garde le plussouvent sa direction dans le chenal, puis le coursier (entonnementfrontal).

Un ouvrage de dissipation de l’énergie de chute est à prévoiravant de restituer l’eau au cours d ’eau.

L’évacuateur est souvent placé latéralement pour profiter de

l’appui que constitue le versant. On valorise la meilleure fondationou le trajet le plus court pour atteindre l’aval ou la bonne tenue dessols en place.

En Afrique, les vallées très évasées et la forte érodabilité dessols remettent en cause l’emplacement latéral du déversoir.

Pour les petits barrages et afin de limiter le coût d’un ouvrage enposition centrale, on cherche à le poser directement sur le remblai

au droit du thalweg.


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!! !! !! !! !! !! !! !!

D’une manière générale, dans le cas des petits barrages en terre, l’évacuateur decrues est composé de :

Un déversoir ou seuil : généralement linéaire

Un chenal : entonnement latéral ou frontal

Un coursier : permet de rattraper le lit de la rivière

Un ouvrage de dissipation de l’énergie érosive de l’eau

Quelques termes techniques liés aux évacuateurs de crues:

• Bajoyers : murs verticaux en rives droite et gauche du déversoir. Ils jouent le rôlede murs de soutènement face à la poussée des terres.

• Barbacanes : orifices à travers les structures en béton pour ramener la pressionsous ces structures à la pression atmosphérique.

• Joint waterstop : joint entre deux plots de béton pour empêcher les fuites d’eau.


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Diff Diff é é rentes parties d'unrentes parties d'un é é vacuateur de crues vacuateur de crues


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"" "" "" "" "" "" "" "" #$ #$ #$ #$ #$ #$ #$ #$ !! !! !! !! !! !! !! !!

É É vacuateursvacuateurs à à surface libre surface libre

Déversoir poids en béton ou maçonnerie: très courant, bien maîtrisé,souvent volume de béton très important.

• 2 types de profils : Creager et pseudo-Creager

Déversoir à entonnement latéral : si situé en rive, prévoir un coursierlong.

Déversoir en béton armé du type « bec de canard » : Entonnement detype mixte (frontal et latéral) posé sur le remblai de la digue.

Déversoir en perré traité au mastic bitumineux : bon procédé peu

employé en Afrique.

Déversoir en gabions : simple et courant, mais demande une réalisationdans les règles de l’art.

Déversoir-voile en béton armé


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La parabole épouse laparabole décrite par unegoutte d'eau lancée dansla zone de mise en vitesse

en amont du déversoir.


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!!


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""


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# #

$% $% &&''


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• Simples et mieux adaptés à de faibles hauteurs de chute (< 3m).

• Employés souvent en rivière pour régulariser le cours d'eau, pour alimenterles prises en dérivation ou pour régulariser le charriage de matériaux.


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• Les gradins dissipent l'énergie de l'eau, cela permet de réduire la longueur

du bassin de dissipation.

• Ces déversoirs peuvent supporter de forts débits (jusqu'à 3 m3 /s/ml).


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• La quantité de gabions à mettre en œuvre est réduite.• Intéressants pour des hauteurs dépassant 3 m car coûts réduits.


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Couramment utilisés dès que l'ouvrage doit assurer une fonctiond'étanchéité. Même dimensionnement que les barrages en terre.


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• Pas de chute d'eau, donc grillage des gabions moins sollicité lors des crues.

• Mais, ils ne dissipent pas efficacement l'énergie des crues, donc biendimensionner le bassin.


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((

Vue en perspective d'un type de déversoir- voile en béton armé . 1 : plan d'eau ; 2 : voileen béton armé ; 3 : contrefort ; 4 : radier dedissipation ; 5 : joint de dilatation ; 6 : talus ; 7 :bajoyers ; 8 : becquet ; 9: joint waterstop.

! "

#


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%%%%%%%% &' #$ &' #$ &' #$ &' #$ &' #$ &' #$ &' #$ &' #$ !!!!!!!!!!!!!!!!

La nature de fondation

La conception du barrage

La disponibilité en matériaux

La disponibilité en main d’œuvre

Le coût par rapport au coût total du barrage Les possibilités de suivi et d’entretien

L’utilisation de l’aval du barrage

Les questions environnementales et conditionssanitaires

Les conditions hydrauliques (hauteur de chute, débit)


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La prise en compte des crues les plus élevées,

La connaissance de la charge maximale

admissible sur l’ouvrage et ses annexes,

Le dimensionnement de la longueur déversante.

(( !)* (( !)* (( !)* (( !)* (( !)* (( !)* (( !)* (( !)*

!!!!!!!!!!!!!!!! ++++++++ "! ),"! ),"! ),"! ),"! ),"! ),"! ),"! ),

Pour un ouvrage à surface libre, on cherche une solutionoptimale sur la longueur du déversoir. Les calculs concernentd ’abord :

Loi de dLoi de déébit et calcul de la longueur dbit et calcul de la longueur dééversanteversante


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La prise en compte des crues les plusLa prise en compte des crues les plus éélevlevéées :es :

Voir détermination du débit de projet

Charge maximale admissible conseillCharge maximale admissible conseilléée sur les de sur les dééversoirsversoirs


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On applique la formule de débit sur un seuil dénoyé :

avec

Q : débit sur le seuil (m3 /s)L : longueur déversante (m),

h : charge sur le seuil (m)

m : coefficient de débit du seuil (-)g : accélération de la pesanteur (g = 10 m/s 2 )

=

Calcul de la longueur dCalcul de la longueur dééversante :versante :Cas d'un seuil dCas d'un seuil déénoynoyéé


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DDéétermination du coefficient de dtermination du coefficient de déébitbit m m

m dépend de la forme du seuil, mais aussi de la charge.

Coefficient de d Coefficient de d é é bit d'un d bit d'un d é é versoirversoir à à profil rectangulaire.profil rectangulaire.


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Coefficient de d Coefficient de d é é bit d'un d bit d'un d é é versoirversoir à à profil Craeger profil Craeger


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avec k: facteur de réduction de m

Calcul de la longueur dCalcul de la longueur dééversante :versante :Cas d'un seuil noyCas d'un seuil noyéé

Si les conditions d'évacuation àl'aval sont telles que le niveau

d'eau aval est supérieur à la cotedu seuil et lorsque

alors le déversoir est noyé.

)

*+ ≥≥≥≥

(((( ))))++ *,,,, $ % −−−−====

hh1


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Facteur de r Facteur de r é é duction k duction k


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- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )"" )!(!."" )!(!."" )!(!."" )!(!."" )!(!."" )!(!."" )!(!."" )!(!.

Compte tenu de l’importance de la surface du plan d’eau, lescrues font monter le plan de PEN au PHE, constituant ainsi unvolume d’eau temporaire qui est déstocké progressivement. Il

s’agit du laminage de la crue.

L’effet de laminage dépend :

• de la forme de l’hydrogramme de crue,• de la capacité d’évacuation du déversoir,• de la capacité de stockage de la retenue, en particulierselon la forme de sa partie supérieure.

Tenir compte de l’effet de laminage permet de réduire la

longueur du déversoir sans augmenter le risque desubmersion du barrage.


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- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )- ($ )"" )!(!. "" )!(!. "" )!(!. "" )!(!. "" )!(!. "" )!(!. "" )!(!. "" )!(!.

Le calcul de l’effet de laminage ne peut être conduit que si l’on connaîtavec précision :

• les caractéristiques de l’hydrogramme de crue,

• la courbe Hauteur / Volume de la retenue.

[ ][ ]

[ ]

−= =

ÉÉquation diffquation difféérentielle du laminagerentielle du laminage

Résolution numérique manuelle(méthode "x0" ou graphique) ouautomatique (exemple logicielCERES du CEMAGREF)


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MMééthode EIERthode EIER--CIEH ou mCIEH ou mééthode du "xthode du "x00""

β =

L’effet de laminage est évalué sous la forme d ’un coefficient tel que :

Avec

Q cmax : le débit maximum de l'hydrogramme de crueentrant (débit de projet) (m3 /s)

Qemax : le débit maximum évacué (m3 /s)

AvecL

1: est la longueur approchée du déversoir (m)

S : la superficie normale de la retenue (m2)m : coeff. de débit de l ’évacuateur (-)t m : temps de montée des eaux (s)Q cmax : débit de projet (m3 /s)

g : accélération de la pesanteur (g = 10 m/s 2 )

se lit sur un abaque en fonction de log 10 x 0

=


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M M é é thodologie pratique thodologie pratique

• Calculer L1 sans tenir compte de l'effet de laminage

• Calculer x 01

puis log 10

x 01

:

• Lire 1 sur l'abaque et calculer Q emax = 1 Q cmax

• Calculer L2 avec :

• Recommencer le calcul avec L2 : puis log 10 x 02

• Calculer Q emax = 2 Q cmax et L3 :

et ainsi de suite par itérations successives, jusqu'à obtenir une valeur

convergente de L.

=

=

β =

=

β =


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La validité de ces calculs est limitée dans le cas de très forts laminages.Lorsque = Q emax /Q cmax trouvé est inférieur à la valeur Q/Q cmax donnéepar l'abaque ci-dessous, il y a lieu d'être prudent dans à la valeur deQ emax . C'est un cas de figure peu fréquent.

Limites de la m Limites de la m é é thode du "x thode du "x 0 0 " "

Abaque de validité de ladétermination de l'effet dulaminage basé sur l'hydrogrammeschématique triangulaire.

MMééth d hith d hi


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MMééthodes graphiquesthodes graphiques

La forme de l'hydrogramme de crue est soit triangulaire (pointu), soit arrondi.

=On associe à Q c , une hauteur fictive Z c sur le seuil :

=On associe à Q e , une hauteur Z e sur le seuil :

On détermine:Tm (s) = temps de montée de l'hydrogramme de crue de projetA (m²) = surface du plan d'eau normal

a (m) = hauteur d'eau sur le seuil pour 2A

Deux de cas de calcul:Deux de cas de calcul:


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1er cas : On se fixe à priori une longueur de déversement.

On calcule les termes suivants:

On lit sur l'abaque le rapport

Deux de cas de calcul:Deux de cas de calcul:

2 ème cas : On se fixe à priori une hauteur de déversement.

On calcule les termes suivants:

On lit sur l'abaque le rapport

Attention aux unitAttention aux unitéés!s!

Q (m 3 /s) Z (m) A (m²) a (m)

T m (s)

CrueCrue àà hydrogrammehydrogramme arondiarondi::


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CrueCrue àà hydrogrammehydrogramme arondiarondi::

1er cas

2 ème cas - Abscisse :

- Ordonnées :

- Courbes :

CrueCrue àà hydrogramme pointu :hydrogramme pointu :


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CrueCrue àà hydrogramme pointu :hydrogramme pointu :

- Abscisse :

- Ordonnées :

- Courbes :

1er cas

2 ème cas

V l i ti d l' ff t d l iV l i ti d l' ff t d l i


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Compte tenu du coût nettement plus faible du remblai par rapportaux ouvrages en béton et lorsque la retenue bénéficie d’un bonlaminage, on peut significativement baisser le coût de l’évacuateurde crues en valorisant au mieux le laminage par le choix d’une

charge élevée sur le seuil déversant.

Ce choix n’est pas contraignant pour la sécurité vis à vis desincertitudes liées aux connaissances hydrologiques.

Il faut néanmoins tenir compte de l’augmentation des superficiesnoyées et des difficultés supplémentaires pour dissiper l’énergie de

chute.

Valorisation de l'effet du laminage Valorisation de l'effet du laminage

(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'


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(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'(( !. !'

Il consiste à l’application des débits trouvés pour le dimensionnement(longueur, forme, profondeur) du chenal d'écoulement, du coursier et dubassin de dissipation.

&!) /&!) /&!) /&!) /&!) /&!) /&!) /&!) /)()()()()()()()(

• Fait directement suite au déversoir, généralement rectangulaire• Longueur faible, pente faible, écoulement fluvial

• Profondeur normale yn se détermine par Manning-Strickler : =

Avec Q : débit (m3 /s)

R : rayon hydraulique (m) :I : pente du chenal (m/m)

S : section mouillée (m²) :

K : coefficient de rugosité de Manning-Strickler

L : largeur du canal (m)

= +

=

= =

Écoulement fluvial si yn>yc

Quelques valeurs de KQuelques valeurs de K


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Quelques valeurs de KQuelques valeurs de K

40Chenal rempli de cailloux

50Terre très irrégulière avec herbe

60Béton rugueux, maçonnerie vieille

70Maçonnerie ordinaire

75Béton lisse avec joints

85Mortier lissé

100Paroi très lisse (métal – ciment trèslisse)

KÉtat de surface


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• Fait suite au chenal d'écoulement et généralement rectangulaire

• pente forte, écoulement torrentiel

ll l = −

• Convergent de longueur mini L :

• la largeur du coursier peut êtreapprochée par :

= (y le tirant d'eau)

≈ (l en m et Q en m3 /s)

• A la section de contrôle: y=yc et le long du coursier y


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• Hs : énergie spécifique

= ∆ −

• A la section de contrôle :

• Si coursier court (< 5 ∆H)

perte de charge = 10% de ∆H

• Si coursier long (> 5 ∆H)

perte de charge = 20% de ∆H

η ∆

(Pertes de charge linéaires)

η = = ∆

η = = ∆

=

Calcul du tirant d eau yCalcul du tirant d eau y

Calcul de la revanche RCalcul de la revanche R = +

R(m), V(m/s), y(m)

0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!


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A la traversée du déversoir ou au bas du coursier, les eaux arrivent avecune importante énergie cinétique qu'il faut dissiper le plus possible dans leliquide lui-même.

Les becs dLes becs dééviateurs ou "sauts de ski"viateurs ou "sauts de ski"

[[[[ ]]]]°°°°−−−−°°°°∈∈∈∈ -.).θ θθ θ

(((( ))))θ θθ θ **/0+

*

++++====

!

&

Le jet se désintègre et retombe àune distance x du bec :

y : tirant d'eau (m)

V : vitesse au départ du bec (m/s)

& .≥≥≥≥

0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!0! $!

y et V sont calculés par itérations successives :


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= + + −

= =

Les cuvettes de dissipation submergLes cuvettes de dissipation submergééeses

A réserver à des terrains peu affouillables.Abaques de dimensionnement disponibles dans "Design of small dams".

: largeur du seuil déversant ou du coursier (m)

: débit spécifique (débit par longueur du seuilou largeur du coursier ) en m3 /s/ml

Les bassins de type impactLes bassins de type impact


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Choc incident sur un écran vertical à la sortie d'un coursier ou d'une

conduite en charge.

Q

Q

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Les bassins de chute ou de plongLes bassins de chute ou de plongééee


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p gp g

Conviennent dans le cas de petites chutes.

Deux solutions sont envisageables : radier du bassin revêtu et non revêtu.

11erer cascas: Bassin avec radier revêtu: Bassin avec radier revêtu

yn

Le dimensionnement se fait par construction et à l'aide d'un abaque.

& $ & ' −−−−−−−−−−−−++++==== 1201+


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Abaque de dAbaque de déétermination destermination descaractcaractééristiques d'une petite chuteristiques d'une petite chute

22èèmeme cascas: Bassin avec radier non revêtu: Bassin avec radier non revêtu


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2 cascas: Bassin avec radier non revêtuass a ec ad e o e êtu

Le principe est de laisser la lame d'eau

creuser le fond du lit pour constituer unmatelas d'eau suffisant pour absorberl'énergie cinétique de l'eau.

La profondeur maximale d'affouillement

de la fosse après stabilisation est donnéepar :

.-01**.01 ,,310+ ( & ====

Formule de VERONESEFormule de VERONESE

Formule de SCHOKLITSCHFormule de SCHOKLITSCH

)*01

31

.401*01 ,,4-0-

( & ====

Avec y (m) : profondeur maxi de la fosse

h (m) : hauteur de chute

q (m3/s/m): débit spécifique

d90 (mm) : diamètre des matériaux

Les bassins à ressaut


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Moyen très efficace pour dissiper l'énergie de l'eau et la rendre avec une

vitesse compatible avec la stabilité des berges à l'aval.

La forme du ressaut et ses caractéristiques dépendent directement dunombre de Froude :

=

Avec y1: tirant d'eau en régime torrentiel avant le ressaut

V : vitesse de l'eau

H0

2

yn

Dimensionner le bassin revient à lui donner une longueur supérieur à la


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g p

longueur L du ressaut, et une profondeur D telle que Z2 ≤≤≤≤ yn, soit y2 - D ≤≤≤≤ yn

D D é é termination determination de y y n n

• A l'aide de la courbe de tarage si elle existe (cas rare)

• Si chenal assez long, appliquer Manning-Strickler et déterminer yn paritérations (cas le plus courant)

=

Avec Q : débit (m3 /s)

R : rayon hydraulique (m) :

I : pente du chenal (m/m)S : section mouillée (m²) :

K : coefficient de rugosité de Manning-Strickler

D D é é termination de D termination de D


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De manière pratique, si 0.050.05 ≤≤≤≤≤≤≤≤ h/Hh/H00 ≤≤≤≤≤≤≤≤ 0.70.7 et 0.10.1 ≤≤≤≤≤≤≤≤ yynn/H/H00 ≤≤≤≤≤≤≤≤ 0.80.8, on peutdéterminer D à l'aide de l'abaque suivant: (pour les déversoirs poids avec bassinen béton!)

Yn/H0 = 0.25

h/H0 = 0.3D/H0 = 0.25

De manière générale, on peut utiliser l'abaque suivant en connaissant :


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• Le débit linéaire qq

• La différence de niveau h'h' entre leniveau de la retenue et l'écoulement aval

• La perte de charge dans le coursier ααααααααHH

avec :

- αααααααα = 0= 0 pour pertes de chargenégligeables (cas de bassindirectement à l'aval du déversoir)

- αααααααα = 0.1= 0.1 pour (chenal + coursier)court, inférieur à 5 fois la hauteur dechute

- αααααααα = 0.2= 0.2 pour (chenal + coursier)

long, supérieur à 5 fois la hauteurde chute

D D é é termination de V et y termination de V et y 11


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D étant déterminé, on calcule H = HH = H00 + D+ DOn détermine les valeurs de VV et yy11 par itérations successives :

: longueur du seuil déversant ou largeur du coursier (m)

: débit spécifique (débit par longueur du seuil ou largeur ducoursier ) en m3 /s/ml

ou

D D é é termination du nombre de Froude F termination du nombre de Froude F

A partir de V et y1, on calcule F :

Diff Diff é é rents types de bassins en fonction de F: rents types de bassins en fonction de F:


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1) Pour F = 1, y = yc, il n'y a pas de ressaut

2) Pour 1 < F < 1.7, agitation de surface, il n'est pas nécessaire deconstruire un bassin de dissipation.

3) F = 1.7, y2 ≈≈≈≈ 2y1 et V2 ≈≈≈≈ V1/2, il suffit de bétonner le bassin sur unelongueur L de 4 à 6 fois y2.

4) 1.7 < F < 2.5, un ressaut commence à apparaître mais pas trèsturbulent (pré-ressaut). Les déflecteurs et seuils pas encorenécessaires. Veuillez à contenir le ressaut dans un bassin de

longueur minimale L (longueur du ressaut) donnée par les abaquessuivants :

Détermination des caractéristiques du ressautpour un nombre de Froude compris entre 1.7 et 2.5


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p p

5) Pour 2.5 < F < 4.5, phasei i i bl


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transitoire, ressaut instable

et difficile à contrôler. Prendre bassin de type I

On peut prendre type II pourêtre sûr de contenir le ressaut

Pour amortir le mouvementdes vagues, prendre encompte y'2 = 1.1y2

6) Pour F > 4.5, le ressaut sed it tt t


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produit nettement.

Si vitesse d'entrée < 15 m/s,prendre bassin de type II

Blocs de chutes et réflecteurs(chicanes) pour raccourcir lebassin et contenir le ressaut

4


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Si vitesse d'entrée > 15 m/s,prendre bassin de type III

Pour mieux stabiliser le ressaut,prendre y'2 = 1.05y2

Pour tous les types debassins, la revanche

peut être prise égale à :R = 0.1(yR = 0.1(y22+V+V11))

R (m), y2 (m), V1 (m/s)

Protection aval du bassin Protection aval du bassin


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Le bassin ne dissipe que 75% de l'énergie de l'eau, il faut donc protégerl'aval avec des enrochement et/ou gabions sur une certaine distance.

1. Déterminer la vitesse de début d'entraînement (Ve)

- Pour les sols argileux, Ve varie de 0.8 à 1.2 m/s

- Pour les sols non cohérents (sables, graviers, …), lire l'abaquesuivant :


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!. !. $!. !. $!. !. $!. !. $!. !. $!. !. $!. !. $!. !. $


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- Destinés à vider entièrement ou partiellement la retenue en cas dedanger ou nécessité

- Différents types: conduites en charge, conduites à écoulement libre,batardeaux, etc..

Les ouvrages de vidange

- Servent à l'utilisation de la retenue (agriculture, adduction en eau,pastoral)

- Différents types: conduites enterrées (en général en charge), siphon, etc.

Les ouvrages de prise


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Ouvrage de vidange


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g gà batardeaux intégré au déversoir (barragede Keita, Niger)

Ouvrage de prise

par siphon


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Valeurs du coefficientValeurs du coefficient C C de LANEde LANE


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2Argile consistante

1.8Argile dure

3Argile plastique

2.5Mélange de graviers et de grosgalets

3Gros graviers

4Petits graviers

5Gros sables

6Sables moyens

7Sables fins

8.5Sables fins et limons

C Nature du terrain

1! !&1! !&1! !&1! !&1! !&1! !&1! !&1! !&

Pour tous les types de déversoirs il faut imposer une hauteur


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Pour tous les types de déversoirs, il faut imposer une hauteur

supplémentaire au dessus du niveau des plus hautes eaux (PHE) afin demettre à l'abri la crête du barrage des vagues et remous. Cette hauteurappelée revanche permet de protéger la digue des risques dedébordement.

La revanche R (m) est estimée par la formule :

= +

Avec

h : la hauteur des vagues (m) : où f est le fetch en km.

V : vitesse de propagation des vagues (m/s) :

A : Coefficient de sécurité compris entre 1 et 2 (souvent A = 0.75 )

= +

= +

Il existe d'autres formules dans le polycopi Il existe d'autres formules dans le polycopi é é ! !

evacuateur de crues et ouvrages annexes

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