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Wikibardig:Evacuateurs de crues

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Sommaire

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.

Barrage Laure Minervois.PNG Exemple de dégradation du talus aval d’un barrage en remblai suite à une surverse. 'Photo Irstea _ G2DR).

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.


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)

Seuil labyrinthe.PNG Seuil touches de piano et coupes.PNG

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°.

Exemple de saut de ski.PNG Exemple de saut de ski. (Photo C. Curt - Irstea - G2DR). Bassin de ressaut.PNG Bassin de ressaut. (Photo Irstea - G2DR).


Bassin de dissipation.PNG Bassin de dissipation. (Photo Irstea - G2DR).

Surveillance des évacuateurs de crues

Les évacuateurs sont soumis à des phénomènes de vieillissement par affouillement local, abrasion, cavitation et dissipation d’énergie, obstruction par des solides transportés par le courant, défaillance des vannes et autres matériels. Leur dégradation peut également provenir de phénomènes se déroulant sur le barrage tels que des phénomènes de retrait, gonflement du béton ou des tassements différentiels.

Les évacuateurs sont surveillés essentiellement pour s’assurer que l’ensemble des organes du barrage jouant un rôle dans le transit des crues reste en parfait état. On cherche à détecter les défauts de fonctionnement, des affouillements dans les zones de dissipation de l’énergie, des évolutions lentes susceptibles de nuire à terme au bon fonctionnement de l’évacuateur de crues et des désordres à l’occasion d’événements. L’évacuateur de crues doit notamment être inspecté de manière approfondie après chaque forte crue et les réparations nécessaires doivent être effectuées immédiatement afin que la crue suivante ne provoque pas une aggravation qu’il est en général difficile de contrôler pendant la crue. Compte tenu des enjeux de sécurité, la maintenance préventive conditionnelle est donc la mieux adaptée à ce type d’ouvrage en mettant en évidence suffisamment à l’avance les risques d’incidents prévisibles et en permettant d’optimiser les coûts d’entretien. Le principe de la maintenance corrective effectuée après incident est à proscrire car le matériel serait alors indisponible à une période où il doit servir, ceci entraînant une diminution de la sécurité de l’ouvrage.

Génie civil et fonctionnement

Selon la nature de la fondation rocheuse ou meuble, la conception de l’ouvrage sera différente. Les murs, les bajoyers, le fond, les revêtements doivent résister aux pressions hydrostatiques, aux charges hydrodynamiques, à la poussée des terres et le cas échéant, aux déformations, aux variations de température ou même au gel. Le fond des organes d’évacuation est soumis à la pression hydrostatique de l’eau, aux forces d’entraînement dues au mouvement de l’eau, aux forces dynamiques de courant, aux sous-pressions dues à l’eau infiltrée dans la fondation et éventuellement aux forces de soulèvement dues aux sous-pressions pouvant occasionnellement se créer par suite d’un mauvais dessin hydraulique. La composante du poids le long de la pente peut s’y ajouter, si le coursier a une pente longitudinale importante. Les bassins de dissipations sont toujours revêtus de béton, sauf cas particulier de terrains rocheux massifs. Le fond de ces bassins est en général à un niveau inférieur à celui de l’émissaire ; sa fondation est donc saturée en permanence. Quand le niveau d’eau baisse dans le bassin, celui-ci est soumis à une sous-pression : le revêtement de fond en béton doit donc être suffisamment lourd pour contrebalancer l’effet de soulèvement dû à la sous-pression à moins qu’on ne puisse installer un système de drainage ce qui est toujours difficile compte-tenu des risques d’obturation par des dépôts dans les drains.

L’évacuateur a pour objectif de faire transiter le débit de la crue de projet. Il doit ainsi rester libre de tout obstacle et notamment de colmatage des seuils par des branches ou des arbres ou d’obstructions du coursier par chute de pierres ou glissement de terrain. Dans ce dernier cas, si le désordre se produit près de l’extrémité amont du coursier, il y a un risque important d’ennoiement du déversoir et donc de dépassement de la cote PHE ; s’il se produit suffisamment en aval, les conditions d’écoulement au déversoir reste inchangées mais un débordement du coursier peut provoquer une érosion dommageable pour l’appui du barrage ou pour le parement aval.

Si l’aptitude de l’évacuateur à faire transiter le débit de la crue de projet est un élément déterminant pour sa sécurité, l’expérience montre que d’autres critères peuvent influer :

• mauvaise connaissance des nivaux de la retenue et des débitances des vannes ;

• défauts liés à une mauvaise conception du génie civil ;

• maintenance et surveillance défectueuse des parties génie civil ;

• sur les évacuateurs vannés : manque de fiabilité des alimentations électriques et défauts de maintenance des parties mécaniques et électriques ;

• consignes de crues défectueuses entraînant une arrivé tardive de l’exploitant, des manœuvres de vannes inadaptées.

En cas d’augmentation de la lame déversant suite à la révision de la crue exceptionnelle, il convient de vérifier si le profil est toujours adapté et ne risque pas d’engendrer des désordres dans l’ouvrage (vibration, cavitation, mise en dépression des radiers et coursiers…).

Références

CIGB/ICOLD (Commission Internationale des Grands Barrages), 1987. - Bulletin 58 - Spillways for dams – Evacuateurs de crue de barrages.

CFBR (Comité français des barrages et réservoirs), 2013. Groupe de travail «Dimensionnement des évacuateurs de crues de barrages ». Recommandations pour le Dimensionnement des évacuateurs de crues de barrages - Dam spillway design guidelines.

CFBR (Comité français des barrages et réservoirs), 1998. Recommandations pratiques pour améliorer la sécurité des barrages en crue.

Degoutte G., Mercklé S., 2012. Cours de l’’ISBA (Institut Supérieur du Béton Armé) - Chapitre 3 – Evacuateurs de crues et vidanges.


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