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CHOIX DU TYPE DE BARRAGE EN BETON
CLASSIFICATION DES BARRAGES
Un barrage fluvial permet la régulation du débit d’une rivière ou d’un fleuve, l’irrigation des cultures, une prévention relative des catastrophes naturelles (crues, inondations), par la création de lacs artificiels ou de réservoirs. Un barrage autorise aussi sous certaines conditions la production de forces motrices (moulin à eau) et d’électricité (on parle alors de barrage hydro-électrique).
La classification des barrages est faite en fonction des critères suivants :
Les matériaux de construction :
Barrages rigides : en béton, béton compacté au rouleau (BCR), maçonneries.
Barrages souples : en terre ou enrochement.
La façon à résister à la poussée de l’eau :
Barrages à stabilité de forme (barrages voutes) : sa forme arquée horizontalement et verticalement, permet de reporter la poussée de l’eau sur les flancs de la vallée. Il doit donc s’appuyer sur une fondation rocheuse résistante.
Barrage à stabilité de poids (barrages poids) : un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l’eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s’apparente dans la plupart des cas à un triangle rectangulaire) .
CHOIX DU SITE ET DU TYPE DE BARRAGE
Les principaux paramètres à prendre en compte dans le choix du site et du type de barrage sont les suivants :
La topographie et les apports du bassin versant,
La morphologie de la vallée,
Les conditions géologiques et géotechniques,
Le contexte météorologique et le régime des crues,
Sismicité de la région.
Dans plusieurs cas, après considération de ces aspects, plusieurs types de barrages resteront possibles. Des considérations économiques permettront alors de départager les solutions.
Crues et ouvrages hydrauliques
Le coût des ouvrages d’évacuation des crues dépend des caractéristiques hydrologiques du bassin versant.
Dans le cas de bassin versant étendu et de crues prévisibles sévères, il peut être intéressant de combiner l’évacuateur de crues de barrage dans un ouvrage en béton déversant. Au contraire, un déversoir de petites dimensions favorise plutôt le choix d’un barrage en remblai, toutes choses égales d’ailleurs.
Lorsqu’une galerie est requise pour assurer la dérivation provisoire du cours d’eau durant les travaux, cette galerie peut être avantageusement intégrée aux ouvrages d’évacuations de crues, moyennant, si besoin est, une légère augmentation de sa section. Le choix d’un barrage en BCR pout s’avérer attractif, dans la mesure où il permet de comprimer les délais d’exécutions et de s’affranchir des risques liés à l’arrivée d’une crue qui obligerait, dans les autres solutions, à des ouvrages de dérivation ou de protection onéreux.
Critères de choix d’un barrage rigide
Le plus souvent, les raisons du choix d’un ouvrage rigide sont :
Nécessité d’évacuer une crue importante, Présence de fondations hydrauliques complexes dans l’ouvrage (ouvrage vannée pour assurer, par exemple, l’évacuation des sédiments et garantir la pérennité de la retenue, vidange de fond de fort débit), Incertitude sur l’hydrologie : les ouvrages rigides sont généralement moins sensibles au déversement que les ouvrages en remblai. Sur les sites où il y a une grande incertitude sur les crues, les variantes rigides sont souvent avantageuses.
De façon générale, un ouvrage en béton est envisagé chaque fois que les ouvrages hydrauliques ont une importance significative dans le projet.
Les conditions requises pour pouvoir projeter un ouvrage rigide sont :
La première condition porte sur la qualité de la fondation. On peut énoncer la règle suivante : un barrage rigide nécessite une fondation rocheuse de bonne qualité,
La deuxième exigence pour construire un ouvrage rigide est de disposer, dans des conditions économiques acceptables, de granulats de bonne qualité nécessaires à sa construction.
CRITERES GENERAUX DE CONCEPTION D’UN PROFIL POIDS
Pour un barrage à profil poids, le fonctionnement de l’ouvrage est complètement différent :
c’est le poids de l’ouvrage qui assure l’équilibre de la poussée hydrostatique et des sous-pressions. Pour un barrage poids, les sous-pressions jouent un rôle majeur dans l’équilibre.
La méthode classique d’étude de la stabilité d’un barrage poids consiste à analyser l’équilibre global du barrage ou d’une partie de celui-ci sous l’action du poids, de la poussée hydrostatique, des sous-pressions et éventuellement d’autres actions secondaires (par exemple poussée des sédiments ou séisme).
Les critères de dimensionnement de l’ouvrage portent sur la répartition des contraintes normales (limitation des tractions au pied amont et limitation des contraintes de compression) à l’aval et sur l’inclinaison de la résultante. Cette méthode de calcul met en évidence le rôle majeur des sous-pressions dans l’équilibre des barrages poids et donc l’importance du drainage.
À titre indicatif les contraintes maximales de compression sous un profil poids traditionnel à parement vertical et fruit aval de 0,8H/V sont de 0,35 MPa pour un barrage poids de 25m de hauteur, soit plus de dix fois plus faible que pour un barrage voûte de même hauteur. L’inclinaison de la résultante varie de 27 à 42° suivant les conditions de drainage. Enfin il convient de noter que le barrage poids en béton et un ouvrage rigide ; son module du béton traditionnel est de l’ordre de 25 GPa.
Les mesures prises dans la conception des ouvrages
Le calcul de stabilité au renversement fait intervenir la hauteur de la lame d’eau déversant au dessus de l’ouvrage, elle même fonction du débit du cours d’eau. Pour garantir la stabilité de l’ouvrage, y compris dans des cas extrêmes, on devrait théoriquement estimer les débits de crue décennale ou centennale et en déduire la hauteur d’eau maximale au-dessus du déversoir.
Afin de sécuriser les ouvrages et limiter la poussée lors des fortes crues, il est intéressant de prévoir une vanne de chasse dans le corps du déversoir. Il s’agit d’un orifice que l’on verrouille avec une série de madriers quand le débit du cours d’eau est faible et que l’on ouvre en cas de crue pour « délester » l’ouvrage. Ce dispositif ne protège efficacement le barrage que si les usagers sont suffisamment organisés et responsabilisés pour l’utiliser au moment opportun ! Cette vanne peut en tous cas s’avérer très utile pour vidanger le barrage et effectuer des travaux d’entretien sur le déversoir ou le canal de dérivation.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : LES BARRAGES POIDS
I. INTRODUCTION
II. DEFINITION
III. LES DIFFERENTS TYPES DE BARRAGES
III.1. Barrages en béton
III.2. Barrages en remblais
III.3. Barrages mobiles
IV. CLASSIFICATION DES BARRAGES
IV.1. Les matériaux de construction
IV.2. La façon à résister à la poussée de l’eau
V. CHOIX DU SITE ET DU TYPE DE BARRAGE
V.1. Conditions naturelles d’un site
V.1.1. Données hydrologiques
V.1.2. Données topographiques
V.1.3. Données géologiques et géotechniques
V.1.3.1. Conditions sur le fondations
a) Fondations rocheuses
b) Fondations graveleuses
c) Fondations sablo-silteuses
d) Fondations argileuses
V.1.3.2. Qualités requises et traitement de la fondation
V.1.4. Données sismologiques
V.1.5. Conditions générales d’environnement
V.2. Matériaux disponibles
V.3. Crues et ouvrages hydrauliques
V.4. Critères économiques
V.5. Conclusion sur le choix du type de barrage
VI. CHOIX DU TYPE DE BARRAGE EN BETON
VI.1. Les types des barrages en béton
VI.1.1. Barrage Gravité
VI.1.2. Barrage voute
VI.1.3. Barrage à contreforts
VI.1.4. Barrage en BCR
VI.2. Critères de choix d’un barrage rigide
VI.3. Fonctionnement mécanique des barrages rigides
VII. CRITERES GENERAUX DE CONCEPTION D’UN PROFIL POIDS
VIII. MATERIAUX UTILISES POUR LA REALISATION DES BARRAGES RIGIDES
VIII.1. Béton conventionnel vibré (BCV)
VIII.2. Béton compacté au rouleau (BCR)
IX. AVANTAGES ET PARTICULARITES DES BARRAGES EN BETON
IX.1. Barrages poids
IX.2. Barrages à contrefort
IX.3. Barrages voutes
X. CONCLUSION SUR LE CHOIX DU BARRAGE EN BETON
CHAPITRE II : ANALYSE DE LA STABILITE DES BARRAGES POIDS
I. INTRODUCTION
II. ACTIONS AGISSANTS SUR LES BARRAGES POIDS
II.1. Actions permanentes
II.2. Actions variables
II.3. Actions accidentelles
III. MANIFESTATIONS DES ACTIONS
III.1. Le poids propre P0
III.2. Poussée des sédiments déposés au pied amont Q2
III.3. Poussée hydrostatique amont Q1
III.4. Poussée hydrostatique aval Q3
III.5. Sous pressions P1
III.6. Poussée des glaces
III.7. Actions accidentelles
III.7.1. L’aléa sismique
III.7.2. Modélisation de l’action sismique
III.7.3. Méthode pseudo statique
IV. CRITERES DE CONCEPTION D’UN BARRAGE POIDS
IV.1. La règle de tièrs central
IV.2. Combinaison d’actions
IV.2.1. Combinaison fréquente ou quasi-permanente
IV.2.2. Combinaison rare
IV.2.3. Combinaison accidentelle
V. CRITERES SOMMAIRES DE STABILITE
V.1. Etude de stabilité
V.1.1. Stabilité interne
V.1.2. Stabilité au glissement
V.1.3. Stabilité au poinçonnement
V.1.4. Stabilité au renversement
VI. ANALYSE DE LA STABILITE D’UN BARRAGE POIDS
VI.1. Calcul du volume d’un barrage poids
VI.2. Vérification de stabilité
VI.2.1. Travaux de reconnaissance
VI.2.2. Procédés géophysiques
a) Module statique ES
b) Module dynamique Ed
VI.3. Sécurité vis-à-vis du glissement
VI.4. Sécurité vis-à-vis le renversement
VI.4.1. Méthode pratique de calcul
VI.4.2. Les mesures prises dans la conception des ouvrages
VI.4.3. Vérification de la stabilité au renversement
VI.4.4. Vérification des contraintes
VI.4.5. Dispositions constructives
VI.4.6. Amélioration de la sécurité du barrage
VII. INFLUENCE DU TRAITEMENT DES FONDATIONS DE BARRAGE
VII.1. Utilité des injections dans les barrages
VII.2. Répartition de la sous pression en fonction de l’injection et le drainage
VII.3. Le coefficient de sous pression
VII.4. Traitement de fondations par parois étanches
VII.4.1. Les parois en béton
VII.4.2. Les parois en béton plastique
VII.4.3. Les parois aux coulis
VII.5. Objectifs du traitement des fondations
VII.6. Caractéristiques du procédé d’injection
VII.6.1. La pression d’injection
VII.6.2. Les propriétés du coulis frais
VII.6.3. Nombre de ligne d’injection
VII.6.4. Espacement entre les forages
VII.6.5. Orientation des forages
VII.6.6. Profondeur du voile d’injection
VIII. TRAITEMENT DES FONDATIONS PAR DRAINAGE
VIII.1. Introduction
VIII.2. Les forages drainants
VIII.3. Principe de drainage vertical
IX. CONCLUSION
CHAPITRE III : ANALYSE PARAMETREE DE LA STABILITE DES PARRAGES POIDS
I. INTRODUCTION
II. OBJECTIFS
III. APPLICATION SUR LE CAS DU BARRAGE DE BREZINA
III.1. Présentation de l’ouvrage
III.2. Profil type du barrage
IV. PRESENTATION DU CODE DE CALCUL ANSYS
IV.1. Les composantes du logiciel ANSYS
IV.2. Analyse d’un modèle avec ANSYS
IV.2.1. Prétraitement (pre-processing)
IV.2.2. Solution
IV.2.3. Post-traitement
V. VARIANTES DE LA MODELISATION
VI. PRESENTATION GRAPHIQUE DES RESULTATS DE LA MODELISATION
VI.1. Etude du comportement du barrage à retenue pleine avec intégration des fondations
VI.2. Etude du comportement du barrage à retenue pleine avec fondations et intégration d’un voile d’injection de prfondeur de H/2
VI.3. Etude du comportement du barrage à retenue pleine avec fondations et intégration d’un voile de drainege de profondeur H/2
VI.4. Etude du comportement du barrage à retenue pleine avec fondations et intégration d’un voile d’injection et voile de drainage de profondeur H/2
VI.5. Etude du comportement du barrage avec pré-radier amont à retenue pleine avec fondations
VI.6. Etude du comportement du barrage avec pré-radier amont à retenue pleine avec fondations et intégration de voile d’injection
VI.7. Etude du comportement du barrage avec pré-radier amont à retenue pleine avec fondations et intégration de voile de drainage
VI.8. Etude du comportement du barrage à retenue pleine avecs fondations et fruit amont incliné
VII. TRAITEMENT DES RESULTATS
VII.1. Barrage à retenue pleine avec fondations sans traitement
VII.1.1. Influence de la charge d’eau
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.1.2. Influence de la charge des sédiments
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.2. Barrage à retenue pleine avec fondations et intégration de voile d’injection
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.3. Barrage à retenue pleine avec fondations et intégration de voile de drainage
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.4. Barrage à retenue pleine avec fondations et intégration de voile d’injection et voile de drainage
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.5. Barrage à retenue pleine avec fondations et pré-radier amont
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.6. Barrage à retenue pleine avec fondations et pré-radier amont et intégration de voile d’injection
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.7. Barrage à retenue pleine avec fondations et pré-radier amont et intégration de voile de darinage
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VII.8. Barrage à retenu pleine avec fondations et fruit du parement amont incliné
a) Sans cohésion des fondations (C = 0)
b) Avec cohésion des fondations (C ⧣ 0)
c) Vérification de la sécurité au renversement
VIII. ANALYSE PARAMETREE DES RESULTATS
VIII.1. Influence de la poussée des sédiments
VIII.2. Influence du mode de traitement des fondations
VIII.3. Influence de l’inertie des fondations
IX. INTERPRETATION DES RESULTATS
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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