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Wikibardig:Conception des digues : sollicitations hydrauliques : milieu fluvial

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Version du 7 octobre 2019 à 10:31 par Huguette Felix (discuter | contributions)

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Sommaire


Cette page est extraite de l’ouvrage « Référentiel technique digues maritimes et fluviales »

La connaissance des sollicitations hydrauliques des digues ou systèmes d'endiguement, qui se traduisent par la connaissance des niveaux d'eau ou des vitesses d'écoulement, passe en général par une analyse hydrologique préalable suivie d'une modélisation hydraulique adaptée en fonction des objectifs recherchés.

Niveaux de sollicitations en fluvial (hydrologie et hydraulique)

Pour ce qui concerne les digues fluviales, les sollicitations hydrauliques principales se manifestent essentiellement lors des crues, chacune étant caractérisée par un hydrogramme et un débit de pointe (hydrologie), dont les niveaux peuvent varier localement au cours du temps, à débit constant, en fonction des modifications éventuelles apportées au lit du cours d'eau (hydraulique).

La connaissance des sollicitations hydrauliques permet de répondre à plusieurs questions relatives aux digues :

  • la définition du niveau de protection en terme de période de retour : en général un profil en long de lignes d'eau pour différents débits en régime permanent devrait être suffisant; il suffit alors de connaître la distribution statistique des débits de pointe (hydrologie), et de transformer ces débits en lignes d'eau avec un modèle hydraulique qui représente la topographie locale des écoulements (hydraulique) ;
  • l'évaluation des risques éventuels d'affouillements [Blanchet et Morin, 1971] dus aux vitesses locales d'écoulement : dans ce cas, l'hydrologie joue plutôt un rôle secondaire, car les vitesses d'écoulement ne sont pas nécessairement maximales pour les plus fortes crues (si par exemple l'écoulement devient noyé par l'aval pour les forts débits); par contre la modélisation hydraulique devra être soignée et pourra demander la mise en œuvre d'une modélisation 2D, voire 3D, dans le cas des coudes de rivières par exemple (la vitesse verticale n'est plus négligeable dans ce cas) ;
  • la hauteur et la durée de charge hydraulique sur la digue seront-elles suffisantes pour saturer le corps de digue et/ou engendrer des écoulements internes en régime transitoire (voir la figure ci-dessous sur les différents types d'hydrogrammes possibles pour un même cours d'eau et des débits de pointe équivalents) ;
  • la modélisation des scénarios de défaillance (création de brèches) ou le dimensionnement des déversoirs de crue : l'approche hydrologique devient plus complexe, car la connaissance du débit de pointe ne suffit plus, il faut en plus la connaissance des volumes écoulés par la crue, donc la connaissance de l'hydrogramme attaché à une période de retour; la modélisation hydraulique sera également plus complexe, car il faut pouvoir modéliser, d'une part, l'écoulement dans la rivière et, d'autre part, son expansion dans la plaine d'inondation : une modélisation hydraulique 2D devrait normalement s'imposer dans ce cas.

Dans tous les cas, la détermination des sollicitations hydrauliques pour les digues fluviales nécessite une démarche en deux étapes, la première étape consiste en une analyse hydrologique des débits de crue, voire des hydrogrammes de crue, et la seconde étape repose sur une analyse hydraulique par modélisation (éventuellement sommaire dans une première approche).

HydrauliqueFluviale-Schema1.jpg Les hydrogrammes des crues du Rhône de septembre et novembre 2002 et décembre 2003 (source CNR et Irstea)

Analyse hydrologique

Nous ne détaillerons pas dans cette partie les différentes méthodes utilisées en hydrologie, et nous invitons le lecteur à se référer à l'ouvrage intitulée « Estimation de la crue centennale pour les plans de prévention des risques d'inondations » [Lang et al, 2007 – Editions Quae] qui sert de référence au texte suivant.

Présence de données sur les débits de crue

C’est le cas des cours d'eau sur lesquels il existe des mesures de débits à des stations hydrométriques.

Il est possible de réaliser des analyses statistiques sur les débits de crue, pour déterminer par exemple le débit de pointe des crues centennale, millenale, ... (sous réserve que la chronique des mesures soit suffisamment longue pour garantir la fiabilité de l’analyse statistique).

La variable hydrologique « débit » est naturellement la plus représentative de la pluviométrie locale et de la réaction du bassin versant à l'exutoire, tandis que, sauf au niveau des stations hydrométriques, les hauteurs d'eau mesurées en un point ne représentent pas une variable hydrologique facilement exploitable, notamment parce qu'elles sont influencées par les conditions locales d'écoulement, qui évoluent en fonction du temps (évolution du lit, aménagements hydrauliques réalisés), et elles ne sont pas transposables en un autre site du bassin versant.

L'exploitation statistique des débits nécessite toutefois quelques précautions car la métrologie des débits est complexe et entachée d’incertitude. En général, la mesure des débits passe par la mesure des hauteurs d'eau à une station hydrométrique, et la transformation des hauteurs en débits est faite à partir d'une courbe dite de tarage, qui est établie à partir de mesures de débits, qui sont réalisées à des instants ponctuels dans l'année et qu'on appelle « jaugeages ».

La fiabilité des débits mesurés est donc souvent directement liée à la fiabilité de la courbe de tarage, qui peut être parfois non-univoque (à une hauteur d'eau peut correspondre deux débits différents suivant que la mesure est faite en montée ou en descente de crue), et qui n'est pas toujours stable avec le temps (par exemple si la section hydraulique évolue au cours du temps en raison d'affouillements du lit par exemple). Par ailleurs pour la plupart des cours d'eau les tarages ne prennent pas en compte les plus fortes crues.

Les réserves ci-dessus étant émises, les étapes à suivre pour réaliser un ajustement statistique sur un échantillon de débits sont les suivantes :

  1. recueil de données : chronique de débits sur le site le plus proche; recueil et analyse des études hydrologiques antérieures ;
  2. critique des données : visualisation de la chronique de débits; examen des courbes de tarage et du nuage des jaugeages; avis du gestionnaire sur la qualité des données ;
  3. échantillonnage des données : typologie des crues (genèse, dynamique spatio-temporelle, caractère saisonnier); valeurs maximales annuelles ou saisonnières; vérification des propriétés de l'échantillon (caractère aléatoire, indépendance, homogénéité, stationnarité) ;
  4. ajustement fréquentiel : choix d'une loi des valeurs extrêmes (Gumbel/GEV) et calage sur les valeurs maximales (moment, maximum de vraisemblance); diagnostic à l'aide d'un graphique de fréquence cumulée ;
  5. présentation des résultats : quantiles de crue et ordre de grandeur de la précision du résultat; classe de période de retour des crues historiques les plus fortes connues.

Absence de données sur les débits de crue

Dans le cas où il n'existe pas de données de débits de crue sur le cours d'eau à proximité du site étudié, il faut distinguer plusieurs situations différentes :

  • Cas 1 – Existence d'une station de mesure des débits sur le bassin versant à étudier située légèrement en aval ou en amont du site étudié : il est possible de procéder à un transfert des informations du site mesuré au site étudié en utilisant des fonctions de transfert adaptées.
  • Cas 2 – Existence d'une station de mesure sur le bassin versant, mais éloignée du site étudié : il est alors préférable de mettre en œuvre des approches multiples afin de réduire l'incertitude sur l'estimation des débits. On préfèrera notamment des formulations qui prennent explicitement la pluie en compte, la variable pluie étant, après la superficie, la variable la plus explicative des débits de crue.
  • Cas 3 – Aucune station de mesure n'existe sur le bassin versant : l'information sur les bassins versants proches sera alors recherchée, sans se limiter à un seul bassin, mais en examinant au moins deux ou trois bassins voisins.

Pour les bassins versants non-jaugés, il existe aussi des formules empirico-statistiques qui permettent de déterminer le débit de pointe décennal ou centennal, à savoir : les régressions multiples, la formulation de Bressand-Golossof (1995), les courbes-enveloppes de Francou-Rodier (1967), la méthode du Gradex (Duband et al., 1988), la formule Crupedix (CTGREF et al., 1980-1982), la formule Socose (CTGREF et al., 1980-1982), la méthode rationnelle (Stifel W.J. Et Mc Pherson M.B., 1964), la méthode SCS (Soil Conservation Service, 2003), les modèles QdF de référence, et le modèle SHYREG, méthode SCHADEX [Lang et al, 2007].

Enfin, il existe des méthodes qui permettent de construire des hydrogrammes de projet relatifs à une crue de période de retour donnée, et qui utilisent les courbes QdF (Débit-Durée-Fréquence) et IdF (Intensité-Durée-Fréquence) sur la base des volumes écoulés et précipités à l'échelle du bassin versant dans le domaine des observations, et l'extrapolation à la distribution des crues selon la méthode du Gradex des pluies.

La construction d’un hydrogramme de projet est également indispensable pour la justification de la stabilité de la digue (mécanique, résistance à l’érosion interne) en régime transitoire.

Analyse hydraulique

Pour avoir plus de détail sur la modélisation hydraulique, on se reportera au « Guide méthodologique pour le pilotage des études hydrauliques » (2008, Publication CETMEF), documents principal et annexes.

L'analyse hydraulique d'une digue ou d'un système d'endiguement sera normalement réalisée après l'analyse hydrologique présentée précédemment.

Comme nous l'avons déjà évoqué, la méthodologie d'étude et les moyens mis en œuvre seront différents suivant l'objectif recherché, voire la classe de l'ouvrage.

Dans tous les cas, il sera nécessaire de procéder à un recueil des données topographiques et bathymétriques du site d'étude, notamment des levés topographiques de la digue ou du système d'endiguement.

Dans le cas où il existe une digue, il sera également nécessaire de procéder au recueil des laisses de crue ou des informations historiques qui ont pu concerner la digue ou le système d'endiguement (crues historiques ayant sollicité l'ouvrage, surverses observées et localisations, brèches constatées et localisations, niveaux de crue observés au droit de l'ouvrage et dans la zone du site étudié).

Les données historiques ne seront peut-être pas toujours disponibles, mais elles sont cependant nécessaires pour procéder au calage de toute modélisation hydraulique qui pourra être réalisée. A défaut, l'hydraulicien retiendra des valeurs de référence pour les paramètres de calage du modèle, notamment les coefficients de Strickler, mais il ne pourra pas en vérifier la fiabilité du modèle ainsi paramétré sur les résultats de crues réelles.

Dans tous les cas, la modélisation hydraulique, de la plus simple (utilisation de la formule de Manning-Strickler par exemple) à la plus compliquée (modélisation 2D ou 3D), servira à transformer les débits de l'analyse hydrologique (débits de pointe ou hydrogrammes de crue) en hauteurs d'eau, en vitesses d'écoulement et en diagramme de charge hydraulique sur les ouvrages.

La base des modèles hydrauliques repose sur les équations de Barré-de-Saint-Venant, dérivées des équations de Navier-Stokes, qui représentent, d'une part, la conservation de la masse et, d'autre part, la conservation de la quantité de mouvement.

La résolution de ces équations permet de calculer les hauteurs d'eau, les débits et les vitesses d'écoulement, soit sur des profils en travers (modélisation 1D), soit sur des nœuds d'un maillage structuré ou non-structuré (modélisation 2D ou 3D).

Après la détermination des niveaux "moyens", il faut s'intéresser à la détermination des vagues et des phénomènes locaux (remous en amont d'ouvrages, ondes stationnaires, …).

Document de référence : « Guide méthodologique pour le pilotage des études hydrauliques » (2008, Publication CETMEF), document principal et ses annexes, afin d'avoir plus de détails sur la modélisation hydraulique.

Influence de l’hydrogéologie

L’hydrogéologie c’est la partie de la géologie qui s'occupe des processus de circulation de l'eau dans le sol et les roches, de la recherche des eaux souterraines, ainsi que de leur captage et de leur protection.


Références

BLANCHET C. et MORIN E. (1971). Les affouillements et la protection des berges dans les coudes des rivières à fond mobile, SOGREAH et Ministère de l’équipement et du logement, 47 p.

DEGOUTTE, (2006). Diagnostic, aménagement et gestion des rivières : hydraulique et morphologie fluviales appliquées, éditions Tec & Doc Lavoisier, 394p.

DEGOUTTE G., (2012). Les déversoirs sur digues fluviales, QUAE éditions, 184 p.

LANG M. et LAVABRE J., (2007). Estimation de la crue centennale pour les plans de prévention des risques d’inondations, Editions QUAE, 232 p.

Dictionnaire langue française Larousse

Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie (MEDDE), 2015. Référentiel technique digues maritimes et fluviales, 190 p. Le téléchargement est disponible ici.


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