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Wikibardig:Barrage poids

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Sommaire

Barrage poids

Les barrages poids comme leur nom l'indique sont assez lourds pour résister à la pression de l'eau. A l'origine, ils étaient faits en maçonnerie de pierre et de mortier. Actuellement, ils sont construits en béton massif ou compacté. Ils représentent environ 15 % des grands barrages (source CIGB - septembre 2012).

Technologie des barrages poids

Cette rubrique présente les bases technologiques et fonctionnelles des barrages poids. Elle définit la typologie et les caractéristiques principales des barrages poids et détaille les principaux phénomènes agissants sur ceux-ci.

Caractéristiques générales

La typologie des barrages poids est établie à partir des matériaux les constituant. On distingue selon DEGOUTTE (1997) :

- les barrages poids en Béton Conventionnel Vibré (BCV) ;

- les barrages poids en Béton Compacté au Rouleau (BCR), mettant en œuvre un béton maigre (100 à 150 kg de ciment par m3 ) travaillé comme un matériau meuble.

Ils sont massifs (en comparaison avec les barrages en remblais) et résistent à la poussée de l’eau par leur poids. Etant donné les matériaux les constituants, ils sont considérés comme rigides et nécessitent donc des fondations rocheuses de bonnes qualités.

Les profils des barrages poids ont évolué avec le progrès de l’ingénieur et des matériaux. PEYRAS (2003) distingue :

- les profils arqués, employés pour les ouvrages en maçonnerie construits au XIXème siècle et donnant des ouvrages généralement minces ;

- les profils trapézoïdaux avec parements amonts verticaux, les plus classiques et correspondant aux ouvrages en BCV et BCR ou maçonnerie ;

- les profils symétriques, utilisés pour des ouvrages en BCR ou remblai dur construits sur des fondations de faibles caractéristiques mécaniques (rocher altéré, fondations alluviales) et permettant de limiter les sollicitations portées au sol.

Profils bar poids.PNGProfils des barrages poids (PEYRAS, 2003)

Composants des barrages poids

Les parements ont pour principale fonction la protection du corps du barrage vis-à-vis des sollicitations extérieures. La pérennité de l’ouvrage dépend donc étroitement des qualités de la conception et de la réalisation. On distingue deux types de parement :

- parement amont : il constitue la surface de contact avec l’eau de la retenue. Pour remplir son rôle de protection, il doit être conçu pour résister aux actions agressives susceptibles de « contaminer » le corps du barrage. Il a pour principale fonction la protection du corps du barrage vis-à-vis des sollicitations extérieures et assure notamment une fonction d’étanchéité. Soumis aux sollicitations thermiques et hydrométriques engendrées en particulier par les variations de la cote du plan d’eau, le parement amont doit également résister aux sollicitations induites par les corps de flottants (tronc d’arbre, …) éventuels.

- parement aval : il constitue le versant aval du barrage. Il doit être conçu et réalisé pour assurer la protection du corps du barrage vis-à-vis des variations, souvent importantes, des conditions atmosphériques (vieillissement en surface dû aux cycles gel/dégel, à l’exposition au soleil, aux variations de températures, au vent, …) et du niveau du plan d’eau aval.

La crête est située au sommet du barrage. Elle agit contre l’infiltration des eaux de pluie dans le corps du barrage et permet, dans certains cas, le passage de véhicules ou de piétons.

Le système de drainage du corps du barrage est constitué de galeries et de conduites placées en aval du parement amont. Il a pour objet de réduire les sous-pressions dans le corps du barrage poids en drainant les eaux infiltrées. En général ce dispositif n’est pas mis en place pour les barrages de faible hauteur (moins de 15 mètres).

Le système d’étanchéité des fondations a pour fonction d’éviter à l’eau de pénétrer dans les fondations afin de limiter les sous-pressions. Il est principalement constitué d’injections dont le but est de créer un rideau étanche dans le rocher. Un coulis sous pression est injecté selon une ou plusieurs lignes afin d’étancher les chemins par où l’eau peut passer.

Le système de drainage des fondations est le complément indispensable des travaux d’injection. En effet, il a pour but d’évacuer rapidement les eaux d’infiltrations afin d’éviter qu’elles ne soient mises en pression, ce qui a pour conséquence d’augmenter les débits de fuites. Le système de drainage est normalement assuré par des forages (Ministère de l’agriculture, 1977).

Les tirants d’ancrage ont pour but d’augmenter le poids de l’ouvrage afin de le stabiliser. Le dispositif consiste à ancrer profondément le massif d’appui au moyen de câbles mis en tension. Pour cela on exécute un sondage de gros diamètre dans lequel on descend un câble métallique que l’on scelle à la partie inférieure, dans le terrain, par injection. La partie haute du tirant est prise dans un bloc de béton armé et fretté.

Têtes tirants.PNG Tétes des tirants d'ancrage sur crête (barrage Cenne Monestie) Photo Irstea

La figure ci-dessous résume l’ensemble des composants et leur fonction, d’un ouvrage poids :

Synthèse des composants.PNGSynthèse des composants (et de leur fonction) des barrages poids (PEYRAS, 2003)

Stabilité des barrages poids

Cette partie propose d’identifier les principales actions intervenant dans les justifications de la stabilité des barrages poids et d’indiquer les principes généraux de leur calcul. Les recommandations qui en résultent émanent d’une synthèse des principales recommandations existantes et des pratiques de l’ingénierie française issues du CFBR (2006).

En fonction de leur variation au cours du temps et de leur intensité, les actions sont classées en trois catégories :

- les actions permanentes ;

- les actions variables ;

- les actions accidentelles.

Valeurs caractéristiques des actions permanentes

Les actions permanentes sont les actions continues ou pratiquement continues dont l’intensité est constante ou très peu variable dans le temps.

Poids propre G0

a. Cas des barrages poids en béton

De façon générale, le calcul de l’intensité du poids propre des barrages en béton ne pose pas de difficulté particulière. Il est conduit à partir des dessins et des coupes du projet et en prenant compte de la surface du profil étudié (S), du poids volumique humide des matériaux du barrage $ (\gamma_b) $et du poids des équipements fixes.

Intensité du poids propre.PNGIntensité du poids propre

On adopte, pour la valeur caractéristique du poids propre,notée $ G_{0k} $, la formulation suivante :$ G_{0k}=\gamma_{b,k} . S $ (0 ou o)

b. Cas des barrages en maçonnerie

Pour les barrages en maçonnerie existants, le poids volumique humide des matériaux peut être sujet à fluctuation dans l’espace au sein de la structure et dans le temps sous l’effet de mécanismes de dissolution et d’érosion des mortiers. Dans ce cas, on ne peut pas retenir, pour la valeur caractéristique du poids propre, une valeur nominale basée sur la moyenne du poids volumique mesuré sur des carottes de sondages. En effet, les carottes intactes qui parviennent au laboratoire ne sont pas forcément représentatives de l’ensemble du corps de l’ouvrage.

Il est donc fortement recommandé de déterminer le poids volumique de la maçonnerie en exploitant la longueur totale des sondages carottés, par le biais des paramètres suivants :

- pourcentage de carottage ;

- poids volumique des pierres ;

- poids volumique du mortier ;

- pourcentages moyens de pierres et mortier.

Poussée des sédiments G1

Le principe du calcul de l’action des sédiments revient à un calcul de poussée. Les sédiments sont considérés non pas comme un fluide, mais comme un matériau pesant et frottant, défini donc par son poids volumique déjaugé γ’sédiment et son angle de frottement interne φ sédiment, et venant interagir comme un milieu extérieur au système « barrage » en y exerçant une action de poussée sur le parement amont.

Intensité action des sédiments.PNGIntensité de l'action des sédiments

Poussée d’une recharge aval G2

Deux configurations sont à distinguer :

Cas d’un remblai de pied : la recharge aval est ici de petite dimension, soigneusement compactée et spécifiquement prévue pour renforcer la stabilité du barrage. La composante horizontale est calculée à partir du coefficient de pression latérale des terres au repos K0.

La composante verticale de la poussée est prise égale au poids éventuellement déjaugée des terres, et majorée par le frottement à l’interface barrage/remblai.

Cas d’une recharge agissant sur une grande partie de la hauteur du barrage : la recharge aval est ici un remblai appuyé sur toute ou sur une grande partie de la hauteur du barrage et contribuant de façon significative à sa stabilité.

Dans ce cas, la prise en compte de la poussée de la recharge doit toujours faire l’objet d’une étude spécifique. Cette dernière consiste en une modélisation des interactions à l’interface remblai/parement aval, incluant l’étude de la cinématique des consolidations du remblai et, le cas échéant, celle de la compressibilité des fondations qui portent le remblai.

Action recharge aval.PNGAction d'une recharge aval G2

Actions des tirants précontraints G3

Deux configurations sont à distinguer :

Installation de tirants sur des barrages existants (ou lors de la construction de barrages neufs): les tirants sont ici mis en place sur le barrage lui-même ou l’un de ses ouvrages annexes (évacuateur de crues, …).

La valeur caractéristique de la force d’ancrage apportée par les tirants précontraints (quelle que soit l’inclinaison des tirants) est déduite de la traction de blocage par application d’une perte, dont on peut, en première approximation, évaluer la valeur moyenne de 6 à 10%. Cette perte est à préciser en fonction des propriétés de la fondation, des matériels et matériaux utilisés.

Cas des barrages avec tirants en service : il s’agit ici de justifier un barrage en service comportant des tirants plus ou moins anciens. La difficulté vient souvent du fait que l’on ne peut pas mesurer la tension résiduelle dans les tirants (c’est le cas des tirants injectés sur toute leur longueur). Il convient dans ce cas de faire preuve d’une plus grande prudence dans le cas où des indices de corrosion sont avérés, une valeur nulle pourra être retenue.

Si la mesure de la traction résiduelle est possible, on adopte pour la valeur caractéristique de la force d’ancrage une intensité raisonnablement prudente évaluée à partir des mesures réalisées in situ et tenant compte d’éventuelles pertes différées encore envisageables.

Modélisation des actions variables de l’eau

Les actions variables comprennent les actions dont l’intensité et/ou les points d’application varient fréquemment et de façon significative dans le temps.

Poussée hydrostatique amont Q1

Le principe de calcul de l’action de l’eau de la retenue revient à un calcul de poussée hydrostatique. Dans chaque situation de projet correspondant à un niveau de remplissage de la retenue, on calcule l’intensité Q1résultant de la hauteur de l’eau supposée connue agissant contre le parement amont.

Poussée hydrostatique aval Q3

Le principe du calcul de l’action de l’eau en aval revient à un calcul de poussée hydrostatique, éventuellement corrigé d’effets hydrauliques.

Dans chaque situation de projet correspondant à un niveau d’eau amont, on calcule l’intensité Q3 résultant de la hauteur d’eau agissant sur le parement aval.

Action poussée hydrosta amont et aval.PNG Action de la poussée hydrostatique amont Q1et de la poussée hydrostatique aval Q3

Action des sous-pressions Q2

Le principe de calcul repose sur la détermination du diagramme des sous-pressions agissant dans le corps du barrage, à l’interface barrage – fondation et dans les fondations.

Le diagramme des sous-pressions est obtenu en considérant les matériaux constituant les fondations et le corps du barrage, ainsi que les dispositifs particuliers mis en œuvre (voile d’injection, voile de drainage, masque amont).

En l’absence de dispositif particulier visant à réduire les infiltrations dans les fondations et dans le corps du barrage, on adopte, en première approche, une répartition linéaire des sous-pressions, donnant un diagramme trapézoïdal avec la pleine sous-pression en amont et une sous-pression égale au niveau d’eau en aval.

Action ss pression.PNGAction des sous-pressions Q2à l'interface barrage fondation (diagramme trapézoïdal)


Toutefois certaines configurations peuvent donner des hypothèses plus défavorables sur la répartition des sous-pressions :

- en l’absence de drainage dans la fondation, si les fissures du rocher ont tendance à se refermer en pied aval ;

- lorsque le corps du barrage présente des fissures depuis le parement amont vers l’aval

- cas particuliers : parement aval colmaté, rejointoiement trop parfaitement étanche de ce parement…

Les dispositifs particuliers, tels que les voiles d’injection dans les fondations et les voiles de drainage en fondation et dans le corps du barrage, visant à réduire le diagramme des sous-pressions, sont pris en considération à l’aide d’un coefficient de rabattement λ et conduisent à un diagramme bilinéaire :

Rabattement et repartition des ss pressions.PNGRabattement et répartition des sous-pressions

La valeur du coefficient de rabattement λ dépend directement de l’efficacité du dispositif visant à réduire les sous-pressions.

De nombreux facteurs peuvent avoir une influence, notamment :

- la conception et la réalisation du dispositif,

- son entretien et sa surveillance.

Le coefficient de rabattement est sujet aux variations au cours du temps, compte tenu des phénomènes de vieillissement pouvant affecter le dispositif.

Action accidentelle sismique

Afin de déterminer l’action accidentelle sismique, de nombreuses méthodes sont établies. Elles proposent toutes des recommandations méthodologiques pour la détermination de l’aléa sismique et pour les différentes approches de modélisation de l’action sismique. Nous ne développerons pas cette partie, mais nous pouvons citer comme référence le document Ministère de l’Industrie (2003).

Qualités requises et traitement de la fondation

Les problèmes potentiels sont de trois ordres : déformabilité, résistance, étanchéité. Si le sol est trop déformable, les tassements sous le poids de l’ouvrage et ensuite les mouvements sous la poussée horizontale seront difficilement supportés par la structure monolithique d’un barrage poids, même équipé de joints, d’où un risque de fissures anarchiques ; cela exclut pratiquement les fondations non rocheuses, voire même les roches faibles (craies, marnes), sauf cas d’ouvrages modestes.

Dans les fondations rocheuses, la résistance mécanique est la plupart du temps limitée par la présence de discontinuités, comme des failles ou des joints, qui découpent le massif en blocs ; les discontinuités les plus dangereuses sont celles qui sont remplies par des produits argileux de décomposition de la roche, car la résistance au cisaillement de ces joints est celle de leur remplissage ; c’est la raison pour laquelle les reconnaissances géotechniques doivent pouvoir identifier à coup sûr la présence de surfaces de faiblesse en fondation, surtout celles orientées horizontalement ou peu inclinées, et pouvant donc déboucher sur l’aval. Il n’existe pas de moyen économique d’améliorer sensiblement les propriétés mécaniques des fondations rocheuses ; c’est la raison pour laquelle on décape la partie superficielle, souvent de moindre qualité, jusqu’à une profondeur permettant de trouver un appui satisfaisant ; la profondeur varie de 1 à 10 m (ou plus) selon le gradient de qualité et la taille du barrage. De telles excavations sont effectuées à l’explosif de manière contrôlée, c’est-à-dire avec une maille serrée, des charges limitées, et un pré-découpage périphérique afin de ne pas endommager la roche laissée en place (CARRERE, 1994). Méthode de construction

La technique actuelle qui prédomine dans la construction des barrages poids est celle du béton compacté au rouleau (BCR). Nous allons donc dans cette partie, résumer les étapes de construction pour ces ouvrages.

Les étapes pour la construction d’un barrage poids en BCR comprennent : les installations de chantier, la dérivation de la rivière, la réalisation des fouilles, leur traitement éventuel, la construction du barrage, des évacuateurs de crues, des ouvrages de vidange, l’achèvement de la crête du barrage et des ouvrages auxiliaires, l’enlèvement des installations de chantier et finalement la remise en état des lieux (PEYRAS, BOISSIER & CARVAJAL, 2010).

Nous allons nous intéresser uniquement à la construction du corps du barrage. Fabrication, transport et mise en place du BCR

PEYRAS et al. (2010) précisent ces trois étapes :

- centrales de fabrication :

La variabilité de la qualité du béton pendant sa fabrication dépend fortement de la qualité du malaxage du fait que les teneurs en eau et en ciment sont généralement faibles. En outre, un temps excessif de malaxage peut conduire à une perte excessive d’eau et au concassage des granulats.

- moyens de transport du BCR :

La méthode la plus courante est le transport par camions ; le tapis transporteur du point de déchargement jusqu’à l’emplacement du bétonnage est également utilisé.

- mise en place du BCR :

Après le déchargement sur la zone de mise en place, le BCR est étalé au moyen d’un bulldozer ou d’une niveleuse en couche mince, avec une épaisseur de l’ordre de 30cm. Un compacteur lourd assure le serrage final de la surface principale de la couche et un petit compacteur est utilisé pour le serrage des bordures périphérique. Compactage du BCR

Lors du compactage des matériaux, le compacteur doit prendre en compte plusieurs points importants (PEYRAS et al. 2010) :

- la nature des granulats :

Suivant la nature des granulats roulés ou concassés, la puissance du compacteur doit être ajustée afin d’éviter la désorganisation de surface ou le reconcassage.

- la teneur en eau :

L’eau agit comme lubrifiant, facilitant le compactage et augmente la densité en remplissant les vides. Cependant un excès d’eau diminue la densité du BCR.

- la teneur en éléments fins :

Dans le cas d’excès de fines, la perméabilité diminue et tout excès d’eau conduit à un matelassage au passage du compacteur. Dans le cas d’un déficit de fines, la densité obtenue ne peut être optimale par déficit de remplissage et le compactage doit être plus énergétique pour pallier le manque de lubrification. Reprise de bétonnage

Une des caractéristiques principales d’un barrage en BCR est l’importance du nombre de reprises de bétonnage (ou joints) entre deux couches de BCR. Ces joints constituent des zones faibles en termes de résistance mécanique et de perméabilité. La qualité de l’adhérence entre deux couches de BCR résulte de deux phénomènes : la liaison (chimique) par le liant et la pénétration des granulats de la nouvelle couche sous la surface de la couche précédemment mise en place (BaCaRa, 1996).

- Les types de reprises de bétonnage :

Les reprises sont classées en trois catégories : chaudes, froides ou tièdes.

Les reprises chaudes correspondent au cas de recouvrement de la couche sous-jacente avant prise de celle-ci. Il y a alors pénétration de granulats de la couche supérieure dans la couche inférieure et recompactage de cette dernière avant sa prise.

Les reprises froides correspondent au cas où le recouvrement a lieu après durcissement de la couche inférieure et où on peut enlever, par de l’eau ou de l’air sous pression, le mortier de surface sans déchausser les granulats. Les reprises froides ont lieu lorsque l’arrêt de la mise en place du BCR dure plusieurs jours.

Les reprises tièdes se caractérisent par le fait que l’arrêt du bétonnage est suffisamment long pour que les granulats de la couche supérieure ne puissent pas pénétrer dans la couche inférieure, mais trop court pour pouvoir enlever le mortier de surface sans déchausser les gros granulats et pour compacter la couche supérieure sans endommager la couche inférieure qui se trouve à un stade avancé de la prise.

- La qualité des reprises de bétonnage :

Elle peut varier suivant divers facteurs : le type de liant et son dosage, l’âge de la couche inférieure, la température du BCR à la mise en place, les modalités de compactage, les conditions extérieures (soleil, vent, pluies…)… Réception du barrage

La réception d’un barrage est basée sur les contrôles réalisés pendant la construction, mais également sur des contrôles complémentaires. Ainsi, des carottages sont réalisés dans le corps du barrage et peuvent être descendus jusqu’à la fondation.

Les carottes extraites font principalement l’objet d’essai de résistance à la compression. Les forages permettent également la réalisation de mesures de perméabilité du corps du barrage. Phénomènes agissants sur les barrages poids (CIGB n°93, 1994)

La dégradation des barrages et de leurs ouvrages annexes est un souci pour les projeteurs, les constructeurs et les exploitants. Cette préoccupation concerne toute la vie des ouvrages, depuis leur construction jusqu’à leur abandon ou leur démolition. La description des ces phénomènes est donc primordiale pour comprendre et analyser les modes de ruptures et de dégradations liés aux barrages poids.

Le tableau suivant synthétise les phénomènes qui ont lieu sur les différents composants du barrage.

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