barrages mobiles

39
_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles page 1 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF MINISTERE DE L’ÉQUIPEMENT, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT CENTRE D’ÉTUDES TECHNIQUES MARITIMES ET FLUVIALES Recommandations pour le CALCUL AUX ETATS-LIMITES DES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE Série : OUVRAGES BARRAGES MOBILES

Upload: balhamontpellierain

Post on 27-Dec-2015

103 views

Category:

Documents


9 download

TRANSCRIPT

Page 1: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 1

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

MINISTERE DE L’ÉQUIPEMENT, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT

CENTRE D’ÉTUDES TECHNIQUES MARITIMES ET FLUVIALES

Recommandationspour le

CALCUL AUX ETATS-LIMITESDES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE

Série : OUVRAGES

BARRAGES MOBILES

Page 2: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 2

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

RECOMMANDATIONSPOUR LE CALCUL AUX ETATS-LIMITESDES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE

BARRAGES MOBILES

TABLE DES MATIERES

___________

1. OBJET _____________________________________________________________________________ 4

2. DESCRIPTION ET COMPORTEMENT DES OUVRAGES_________________________________ 5

2.1 SEUILS FIXES ___________________________________________________________________ 52.2 BARRAGES MOBILES ____________________________________________________________ 52.3 RECONNAISSANCES _____________________________________________________________ 62.4 CONCEPTION ___________________________________________________________________ 6

2.4.1 PROFIL DES SEUILS __________________________________________________________ 62.4.2 PILES ET RADIER ____________________________________________________________ 62.4.3 CULEES ____________________________________________________________________ 72.4.4 FONDATION_________________________________________________________________ 72.4.5 AVAL-RADIER _______________________________________________________________ 82.4.6 RIDEAU PARAFOUILLE _______________________________________________________ 9

2.5 CONSTRUCTION ________________________________________________________________ 92.5.1 DERIVATION DE LA RIVIERE __________________________________________________ 92.5.2 CONSTRUCTION EN DEHORS DE LA RIVIERE ____________________________________ 92.5.3 REALISATION A L’ABRI DE BATARDEAUX ______________________________________ 102.5.4 PREFABRICATION___________________________________________________________ 102.5.5 AUTRES TECHNIQUES _______________________________________________________ 11

3. SITUATIONS DE PROJET ___________________________________________________________ 11

3.1 ANALYSE DES SITUATIONS _____________________________________________________ 113.2 EXEMPLES DE SITUATIONS DURABLES __________________________________________ 123.3 EXEMPLES DE SITUATIONS TRANSITOIRES_______________________________________ 123.4 EXEMPLES DE SITUATIONS ACCIDENTELLES_____________________________________ 12

4. COMBINAISONS D’ACTIONS _______________________________________________________ 14

4.1 SYSTEMES ETUDIES ____________________________________________________________ 144.2 CAS DE CHARGE _______________________________________________________________ 14

5. DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE_______________________________________________ 15

5.1 DONNEES ET PARAMETRES _____________________________________________________ 155.2 NIVEAUX DE SECURITE_________________________________________________________ 175.3 DETERMINATION DES COTES HYDRAULIQUES ___________________________________ 175.4 ETAT-LIMITE DE REMOUS EN PERIODE DE CRUE _________________________________ 18

5.4.1 DESCRIPTION DE L’ETAT-LIMITE _____________________________________________ 185.4.2 MODELE REDUIT PHYSIQUE _________________________________________________ 195.4.3 MODELES ANALYTIQUES SIMPLES ____________________________________________ 20

5.4.3.1 Principe __________________________________________________________________________ 205.4.3.2 Fonctionnement normal du barrage _____________________________________________________ 205.4.3.3 Fonctionnement accidentel du barrage___________________________________________________ 21

5.5 LONGUEUR DU BASSIN DE DISSIPATION _________________________________________ 225.5.1 SEUIL FIXE ET BARRAGE GRAND OUVERT _____________________________________ 225.5.2 BARRAGE OUVERT PARTIELLEMENT __________________________________________ 24

Page 3: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 3

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.5.2.1 Barrage à sous-verse ________________________________________________________________ 245.5.2.2 Barrage à surverse __________________________________________________________________ 24

6. FORMULATION DES ETATS-LIMITES STRUCTURAUX _______________________________ 25

6.1 DESCRIPTION DES PHENOMENES A EVITER ______________________________________ 256.1.1 INSTABILITE EXTERNE_______________________________________________________ 256.1.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE _________________________________________________ 266.1.3 INSTABILITE INTERNE _______________________________________________________ 266.1.4 INSTABILITE GLOBALE ______________________________________________________ 266.1.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS__________________________________________ 27

6.2 CLASSEMENT DES ETATS-LIMITES ET COMBINAISONS TYPES D’ACTIONS ASSOCIEES 276.3 ASPECTS PARTICULIERS LIES A LA PRISE EN COMPTE DE LA SECURITE ____________ 28

7. MODELISATION DU COMPORTEMENT STRUCTURAL DE L’OUVRAGE _______________ 29

7.1 INSTABILITE EXTERNE _________________________________________________________ 297.1.1 GLISSEMENT-PLAN__________________________________________________________ 297.1.2 DECOMPRESSION DU SOL DE FONDATION_____________________________________ 297.1.3 POINCONNEMENT DU SOL DE FONDATION ____________________________________ 29

7.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE____________________________________________________ 297.2.1 ETATS-LIMITES DE RENARD __________________________________________________ 297.2.2 CONDITIONS DE FILTRE _____________________________________________________ 307.2.3 STABILITE DES PROTECTIONS AMONT ET AVAL_________________________________ 30

7.2.3.1 Expression générale _________________________________________________________________ 307.2.3.2 Seuils ____________________________________________________________________________ 317.2.3.3 Barrages mobiles ___________________________________________________________________ 337.2.3.4 Enrochements liés __________________________________________________________________ 34

7.3 INSTABILITE INTERNE__________________________________________________________ 347.3.1 STRUCTURES METALLIQUES _________________________________________________ 347.3.2 BETON ARME_______________________________________________________________ 34

7.4 INSTABILITE GLOBALE _________________________________________________________ 347.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS ____________________________________________ 35

8. COEFFICIENTS PARTIELS _________________________________________________________ 35

8.1 COEFFICIENTS DE VALEUR _____________________________________________________ 358.2 COEFFICIENTS DE MODELE _____________________________________________________ 36

8.2.1 EN SITUATIONS DURABLES ET TRANSITOIRES __________________________________ 368.2.2 EN SITUATIONS ACCIDENTELLES _____________________________________________ 38

9. TEXTES DE REFERENCE ___________________________________________________________ 39

Page 4: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 4

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

RECOMMANDATIONSPOUR LE CALCUL AUX ETATS-LIMITESDES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE

BARRAGES MOBILES

___________

1. OBJET

Le présent fascicule présente les règles de justification semi-probabilistes aux états-limites pour lesinfrastructures des barrages mobiles en rivière et des seuils fixes (fondations, génie civil), à l’exceptiondes bouchures mobiles traitées dans le fascicule Structures métalliques et des équipements (organesde manœuvre) abordés dans le fascicule du même nom. Il ne traite pas non plus des barrages-réservoirs ni des stations de pompage.

Le fascicule a pour objet :

♦ d’établir le canevas des justifications en cohérence avec le format semi-probabiliste auxétats-limites décrit dans les Directives Communes de 1979 relatives au calcul desconstructions, et dans les Eurocodes (voir la section 6 de ce fascicule),

♦ d’exposer les modèles employés pour écrire les conditions d’état-limite (voir la section 7 dece fascicule),

♦ de proposer des valeurs des coefficients de modèle (voir la section 8.2 de ce fascicule).

Ce fascicule ne doit pas être utilisé séparément des autres fascicules qui forment l’ensemble desRecommandations pour le calcul aux états-limites des ouvrages en site aquatique. Il y a lieu deconsidérer en particulier les fascicules Parties en béton des ouvrages, Quais-poids, Gabions depalplanches et Rideaux de soutènement.

Ce fascicule ne traite pas de la qualité des travaux ni du contrôle de leur exécution. Il n’aborde laconception et l’exécution des ouvrages que dans ce qui apparaît nécessaire à l’intelligence de leursrègles de justification.

Page 5: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 5

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2. DESCRIPTION ET COMPORTEMENT DES OUVRAGES

2.1 SEUILS FIXES

Par définition, un seuil en rivière est un ouvrage transversal destiné soit à maintenir un niveau d’eau enamont, soit à stabiliser le lit de la rivière (par exemple, rattrapage d’un enfoncement excessif du lit dû àune extraction de matériaux alluvionnaires ou à un curage). Il est fixe lorsqu’il ne comporte aucunepartie mobile (vanne de diverse nature). Il n’y a donc pas de contrôle du niveau d’eau à l’amont duseuil, qui, pour un débit donné, ne dépend que des conditions d’écoulement à l’aval et de la géométriede l’ouvrage.

D’une manière générale, on distingue deux grands types de seuls fixes :

♦ les seuils en béton, plus ou moins profilés, capables de supporter des chutes importanteset des débits unitaires élevés (par définition, le débit unitaire est le débit par mètre delargeur),

♦ les seuils en enrochements, qui sont des ouvrages plus rustiques (et donc sensiblementmoins chers), mais plus fragiles (débit unitaire maximum de l’ordre de 10 m3/s.ml, chuten’excédant pas quelques mètres) ; les enrochements constituant l’ouvrage peuventéventuellement être liaisonnés au béton.

2.2 BARRAGES MOBILES

Les barrages mobiles sont des ouvrages transversaux mis en place pour opposer un obstacle àl’écoulement d’une rivière variable selon le débit de celle-ci, de façon à contrôler le niveau d’eau en unou plusieurs points à l’amont selon un cahier des charges précis établi d’après les fonctions quel’ouvrage doit remplir (navigation, débits réservés, soutien des nappes phréatiques...).

Un cas fréquent de gestion consiste à maintenir un niveau constant « aussi longtemps que possible ».En période de basses eaux, le barrage est complètement fermé, puis les vannes s’ouvrent au fur et àmesure que le débit augmente. Tant que les vannes ne sont pas complètement ouvertes, on parle d’unfonctionnement « à ouverture partielle ».

Leur rôle mécanique essentiel est donc de résister à la poussée de l’eau ; ce sont des ouvrages-poids,en ce sens que c’est par la mobilisation des forces de frottement sur la fondation que ce poids induit,qu’ils peuvent remplir leur rôle.

L’action de l’eau, qui s’exerce en général principalement sur les organes mobiles de bouchure(vannes), est reportée sur les piles et les culées. Celles-ci transmettent au sol, par l’intermédiaire deleur semelle, des efforts horizontaux et verticaux. Les premiers sont donc repris par frottement tandisque les seconds sollicitent la capacité portante du sol.

Page 6: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 6

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.3 RECONNAISSANCES

Les reconnaissances nécessaires à l’établissement d’un projet de barrage portent sur :

♦ la reconnaissance générale du site,

♦ la topographie et la bathymétrie,

♦ la géologie et la géotechnique, la sismique,

� On peut également consulter :

♦ les généralités sur les reconnaissances géotechniques,♦ Comment assurer la qualité de l’étude géotechnique ?

♦ la climatologie,

♦ l’hydrologie,

� Voir aussi les données de base de l’étude hydrologique.

♦ l’hydraulique

� Voir aussi les généralités sur les études hydrauliques.

2.4 CONCEPTION

2.4.1 PROFIL DES SEUILS

On cherche à optimiser le profil de la crête et du coursier des seuils en béton de façon à guider lanappe déversante vers une forme proche d’une nappe libre.

2.4.2 PILES ET RADIER

Différentes solutions peuvent être envisagées pour la conception des liaisons pile-radier suivant lanature du terrain, la largeur des passes et le mode de construction envisagé : ensemble monolithique,succession d’ensembles (pile + radier) en T renversé, éléments indépendants. Les différentescontraintes qui doivent orienter le choix entre ces possibilités résultent des propriétés géotechniques(contraintes admissibles, risque de mouvement), des problèmes de bétonnage (longueur maximaled’un plot) et du type de bouchure.

Pour pallier le risque de soulèvement d’un élément isolé de radier, on peut parfois clouer celui-ci dansle sol lorsque sa nature le permet, ou assurer un report des efforts verticaux sur les piles parl’intermédiaire d’un clavage qui ne transmet pas de moment.

On privilégie les dispositifs permettant d’une part d’assurer un meilleur contact entre le radier et le sol,d’autre part de mobiliser un effort de frottement plus important : redans, bêches d’ancrages, barresd’ancrages passifs, etc.

Page 7: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 7

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.4.3 CULEES

Les culées jouent le rôle d’une demi-pile et à ce titre doivent transmettre au sol les efforts horizontauxde la poussée de l’eau, mais elles servent aussi de soutènement aux terre-pleins de rive. Leurconception doit être homogène avec celle du reste du barrage. Elles doivent donc soit être reliées avecla pile la plus proche (solution sans joint), soit être séparées par un joint (central ou non) du reste dubarrage.

2.4.4 FONDATION

Le type de fondation choisi dépend de la nature et des propriétés mécaniques du sol ainsi que dumode de réalisation (en rivière ou à terre).

Les barrages mobiles ne sont en général pas des ouvrages qui créent des contraintes verticalesimportantes car ils dépassent peu le niveau du sol naturel. Les contraintes au sol sont mêmegénéralement inférieures à celles existant avant les travaux. La solution simple par fondationsuperficielle directe peut donc avantageusement être retenue dans la majorité des cas.

Si une couche superficielle de mauvaise qualité empêche de mettre en œuvre une telle solution, il estparfois intéressant de substituer à ces mauvais matériaux une couche de graves alluvionnairescorrectement compactées.

Il y a lieu de tenir compte dans la conception de la fondation des problèmes liés aux sous-pressions etaux écoulements souterrains.

Ainsi, suivant la perméabilité du sol de fondation, il peut être nécessaire de prévoir un écran étanchedont la longueur doit être telle que le gradient hydraulique entre le niveau amont et le niveau aval nedépasse pas une valeur critique spécifiée (phénomènes de renard et d’érosion régressive), tenantcompte du fait que les perméabilités horizontales et verticales sont différentes. Cet écran pourra danscertains cas jouer le rôle de batardeau de chantier. Il y a lieu également de s’assurer que les gradientslatéraux restent aussi limités à des valeurs acceptables.

Les écrans en palplanches sont moins étanches que ceux en paroi moulée. Cette dernière techniques’impose pour des profondeurs supérieures à une quinzaine de mètres et dans les terrains où il estimpossible de battre des palplanches.

Il faut également tenir compte des conditions de drainage sous le radier. On peut avoir intérêt à prévoirun système de drainage qui permette de ramener le niveau aval jusque dans la partie amont de lafondation de manière à diminuer la sous-pression totale, mais alors, le cheminement des lignes decourant étant plus court, les gradients hydrauliques sont modifiés et il faut vérifier de nouveau leursvaleurs.

Pour diminuer les sous-pressions, on peut également placer des barbacanes à travers le radier. Cettesolution présente l’inconvénient d’empêcher toute mise à sec ultérieure du radier pour des visites oudes réparations, qui devront donc s’effectuer sous l’eau.

� Voir aussi ce qui concerne les écoulements souterrains.

Si le terrain ne présente pas de propriétés mécaniques suffisantes, il faut alors s’orienter vers desfondations profondes (pieux, barrettes, etc...) ou vers la substitution.

Page 8: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 8

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.4.5 AVAL-RADIER

A la protection d’aval-radier sont assignées des fonctions anti-érosion :

♦ fonction première : la résistance à l’érosion, qui empêche l’affouillement à l’aval immédiatdu radier,

♦ fonction seconde : la dissipation résiduelle de l’énergie à la sortie de l’ouvrage,

♦ fonction annexe : la protection contre l’érosion interne sous le radier, par étanchéité de laprotection aval (allongement aval),

Outre ces fonctions, l’intégrité de la structure doit être assurée en cas de développement d’une fossed’affouillement à son voisinage, par ses propriétés de souplesse ou de cohésion.

L’aval-radier des barrages subit des sollicitations importantes et fréquentes :

♦ débit par mètre linéaire important,

♦ écoulements dissymétriques qui engendrent des courants transversaux et des courants deretour particulièrement défavorables.

La protection aval en enrochements libres est normalement utilisée. La blocométrie est adaptée enfonction de l’énergie dissipée par mètre d’ouverture et de la profondeur d’eau. Les conditions de filtredoivent être respectées et l’on met en place des couches multiples si c’est nécessaire. Le bétonnagedes enrochements n’est pas recommandé car, bien qu’il donne à la protection une certaine cohésion, ilrigidifie une structure destinée à s’adapter aux abaissements du lit du cours d’eau. Si une telle solutionest adoptée, il convient de maintenir sous la couche supérieure les mêmes conditions de filtre que siles enrochements étaient libres, car une rupture du liant peut toujours se produire.

Les protections de l’ouvrage sont dimensionnées de façon à éviter les risques d’affouillement auxabords immédiats du seuil. On distingue donc :

♦ les protections éventuellement nécessaires à l’amont (fond du lit et berges),

♦ les protections aval, constituées :

• du bassin de dissipation de l’ouvrage,

• des protections complémentaires à la sortie du bassin (fond du lit et berges).

Les enrochements libres présentent en effet les avantages suivants :

♦ une grande souplesse et donc une bonne adaptabilité aux mouvements du lit (pas derupture) ; ainsi, les enrochements aval peuvent à terme « tapisser » une fossed’affouillement tout en maintenant le niveau du lit à la sortie immédiate du bassin,

♦ une relative simplicité dans la pose,

♦ des réparations faciles par recharge.

Page 9: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 9

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Les techniques végétales, qui peuvent s’avérer d’un grand intérêt pour les protections de berge, nesont pas du tout adaptées ici, car elles n’offrent pas une sécurité suffisante pour assurer la pérennitéde l’ouvrage.

2.4.6 RIDEAU PARAFOUILLE

Un rideau parafouille amont est indispensable à l’amont de l’ouvrage.

En fonction de la profondeur du substratum et de sa nature, ce rideau pourra être en béton, enmatériau étanche, constitué d’une paroi moulée, d’un écran en palplanches, d’un rideau d’injections...La liaison avec la structure devra être étudiée avec soin pour éviter une rupture de cet écran sousl’effet des sollicitations appliquées à l’ouvrage.

En outre, il est souvent judicieux de disposer un rideau parafouille à l’aval de l’ouvrage, de profondeurgénéralement plus modeste qu’à l’amont, afin de se prémunir contre un sous-cavement de la partieaval du radier, lié à la disparition par érosion régressive des protections aval.

2.5 CONSTRUCTION

Les techniques de construction envisagent les travaux en présence d’eau ou à sec.

2.5.1 DERIVATION DE LA RIVIERE

La rivière est dérivée en phase provisoire et l’ouvrage est ensuite réalisé à sec dans l’ancien lit de larivière. L’étanchéité peut être réalisée de plusieurs façons :

♦ digue en terre ou en alluvions,

♦ paroi moulée,

♦ rideau de palplanches,

♦ bateau-batardeau.

2.5.2 CONSTRUCTION EN DEHORS DE LA RIVIERE

L’ouvrage est réalisé à sec en dehors de la rivière en profitant de la présence d’un méandre parexemple, et, une fois l’ouvrage terminé, la rivière est dérivée définitivement dans l’ouvrage.L’étanchéité peut être réalisée comme précédemment.

Page 10: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 10

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.5.3 REALISATION A L’ABRI DE BATARDEAUX

L’ouvrage est construit dans la rivière à l’abri de batardeaux, sans dérivation (c’est le cas le plusgénéral). Les travaux se réalisent en deux phases au minimum, afin de laisser la rivière s’écouler parune partie du lit pendant que l’on exécute les travaux sur l’autre partie. S’il existe, le trafic fluvial n’estpas interrompu pendant les travaux.

♦ Étanchéité latérale : elle est assurée par la réalisation d’une ceinture (plus ou moins)étanche sur le pourtour de la zone à construire. Elle est constituée par un ou plusieurs deséléments suivants :

• une digue en terre, en tout-venant ou en alluvions,

• un rideau de palplanches métalliques (éventuellement conforté par un remblai),

• une paroi étanche du type paroi moulée au coulis réalisée dans une digue ou dansle terrain en place.

♦ Étanchéité du fond : si les matériaux de fondation sont très perméables et que le rideaud’étanchéité ne rencontre pas d’horizon plus étanche, il est souvent nécessaire de réduirela perméabilité du sol à l’intérieur du batardeau en réalisant un béton immergé. Suivant ledegré d’étanchéité recherché, il faut :

• pour une étanchéité partielle, garder un ou plusieurs puits de décompression afinde contrôler les arrivées d’eau,

• pour une étanchéité totale, bloquer les sous-pressions par gravité (forte épaisseurde béton) ou par ancrage du radier béton aux fondations,

• envisager éventuellement de réaliser des injections du fond de fouille.

2.5.4 PREFABRICATION

Il s’agit ici de la préfabrication des ouvrages de génie civil (les organes métalliques sont toujourspréfabriqués). Cette solution consiste à construire le barrage en totalité ou partiellement sur un sitedifférent de son emplacement final, puis à le transporter jusqu’à son emplacement définitif. Le modede transport utilisé est généralement la voie d’eau.

La préfabrication peut être :

♦ totale si aucun travail d’assemblage n’est à réaliser sur place ; l’ouvrage, une fois mis enplace, peut être immédiatement connecté et mis en service,

♦ partielle si des travaux d’assemblage importants sont à effectuer après la mise en place.

Deux modes de mise en place sont possibles :

♦ mise en place à sec en vidant l’intérieur d’un batardeau pour échouer le barrage, ce quinécessite un batardeau complet et relativement étanche,

Page 11: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 11

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

♦ mise en place en eau en immergeant le barrage préfabriqué. On utilise la pousséed’Archimède pour une mise en place lente et par suite, très précise. Le barrage est alorsrempli d’eau, de sable, ou de béton.

2.5.5 AUTRES TECHNIQUES

On peut signaler, en complément de ce qui suit, d’autres procédés plus rarement envisagés : gabionsdisposés en marches d’escalier, palplanches en rideau simple ou double...

� Voir aussi les modes de construction des autres types d’ouvrages :

♦ Quais-poids♦ Gabions de palplanches♦ Écluses♦ Quais sur pieux♦ Ducs d’Albe♦ Rideaux de soutènement♦ Talus et pentes♦ Digues des voies navigables♦ Parties en béton des ouvrages♦ Structures métalliques

3. SITUATIONS DE PROJET

� Voir l’application à un CCTP.

3.1 ANALYSE DES SITUATIONS

Les situations de projet doivent être établies en cohérence avec celles qui sont établies pour ledimensionnement hydraulique, les études de structure métallique et les études des organes demanœuvre. Elles sont définies par :

♦ des conditions hydrauliques (niveaux d’eau amont et aval, débit de la rivière),

♦ la configuration mécanique du barrage (positions de la bouchure, batardage éventuel...),

♦ la présence éventuelle d’affouillements en pied d’ouvrage.

Les paramètres de référence à préciser sont les affouillements éventuels en pied de radier (aval) oules atterrissements éventuels en pied de radier (amont) entraînant une modification des lignes d’eaude la Retenue Normale au droit du barrage. Les propriétés des sols doivent aussi être précisées (priseen compte des comportements à court terme et à long terme des sols fins, le cas échéant).

Page 12: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 12

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

3.2 EXEMPLES DE SITUATIONS DURABLES

On définit en général la situation durable d’exploitation par les lignes d’eau résultant du débit qui,compte tenu des règles de gestion du barrage (que l’on suppose respectées), conduit aux efforts lesplus défavorables pour la partie d’ouvrage considérée.

Dans une approche simplifiée, on peut considérer les lignes d’eau correspondant au niveau amontmaxi et au niveau aval mini.

3.3 EXEMPLES DE SITUATIONS TRANSITOIRES

Le mode de construction détermine de nombreuses situations transitoires :

♦ batardage d’une section de la rivière, entraînant des conséquences sur le régime del’écoulement des eaux au droit du chantier,

♦ crue « de chantier »,

♦ stabilité d’une dérivation provisoire,

♦ transport et manutention d’éléments préfabriqués,

♦ etc.

Les essais de manœuvre de la bouchure sous batardeau de chantier, les conditions d’épreuve et deréception, peuvent définir une situation transitoire particulière, avec des modifications éventuelles desconditions de pression hydraulique.

On peut considérer aussi une situation transitoire de maintenance du barrage avec une passebatardée et des lignes d’eau correspondant aux niveaux maxi en amont et mini en aval.

3.4 EXEMPLES DE SITUATIONS ACCIDENTELLES

♦ collision d’un bateau contre une pile, avec le niveau d’eau maxi amont,

♦ séisme,

♦ affouillement accidentel à l’aval-radier,

♦ conséquences d’un mauvais fonctionnement du dispositif d’étanchéité amont,

♦ conséquences d’un mauvais fonctionnement des dispositifs de drainage (colmatage,déformation, etc.),

♦ conséquences d’une ouverture dissymétrique de la bouchure de l’ouvrage, conduisant àdes dégradations des protections aval,

Page 13: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 13

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

♦ rupture d’un ouvrage hydraulique en amont,

♦ rupture d’un ouvrage hydraulique en aval,

♦ erreur de manœuvre du barrage conduisant à une surcote à l’amont,

♦ crue accidentelle,

♦ etc.

On peut aussi prendre en compte les situations accidentelles d’exploitation dégradée telles qu’ellessont définies pour les bouchures mobiles dans le fascicule Structures métalliques, dans la mesure oùcelles-ci impliquent des valeurs « accidentelles » des efforts de manœuvre reportés sur le génie civildu barrage :

♦ défaut de fonctionnement d’un actionneur,

♦ blocage d’une vanne par un corps étranger,

♦ blocage d’une passe en position fermée,

♦ etc.

� Voir aussi les situations de projet des autres types d’ouvrages :

♦ Quais-poids♦ Gabions de palplanches♦ Écluses♦ Quais sur pieux♦ Ducs d’Albe♦ Rideaux de soutènement♦ Talus et pentes♦ Digues des voies navigables♦ Parties en béton des ouvrages♦ Structures métalliques

� Voir aussi les généralités sur les situations de projet.

Page 14: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 14

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

4. COMBINAISONS D’ACTIONS

4.1 SYSTEMES ETUDIES

Les vérifications se décomposent de la manière suivante :

♦ Instabilité externe : le système est constitué par l’ensemble du barrage se comportantcomme un bloc rigide.

♦ Instabilité hydraulique : elle concerne le sol de fondation et les protections enrochées.

♦ Instabilité interne : le système est constitué par les parties d’ouvrages à examiner : piles,radier, culées (génie civil), aval-radier, bouchures mobiles, organes de manœuvre.

♦ Instabilité globale : voir le fascicule Talus et pentes.

♦ Déplacements et déformations : on vérifie les tassements de l’ouvrage.

4.2 CAS DE CHARGE

� Pour évaluer les actions du sol et de l’eau dans le sol, il convient de se référer aux fasciculesActions du terrain, Actions quasi-statiques des niveaux d’eau et Paramètres d’interaction sol-structure.

La mise en place de systèmes de contrôle de l’écoulement tels que les rideaux parafouille, évents,tapis drainant, lignes de drains forés, barbacanes, etc. modifie le profil des pressions interstitielles. Lesdispositifs envisagés et les profils de pressions doivent être fixés ou validés par un géotechnicienconfirmé.

Hormis le cas des chocs de bateaux (associés aux PHEN), les situations accidentelles associées àune configuration ou à une action accidentelle sont en général supposées établies avec les lignesd’eau correspondant à la valeur fréquente (crue de période de retour de 2 à 10 ans). Toutefois, leséisme est vérifié avec la valeur quasi-permanente, c’est-à-dire avec les lignes d’eau correspondantau débit moyen annuel (module de la rivière), ou encore les Retenues Normales (RN) amont et aval.

En revanche, la configuration accidentelle du blocage d’une passe en position fermée est associée à lavaleur caractéristique des niveaux d’eau.

� Voir aussi les divers crues et débits représentatifs.

� Voir aussi les valeurs représentatives des niveaux d’eau fluviaux.

Suivant la nature des terrains, la présence ou non d’une nappe et les positions de celle-ci dans le sol,les modes d’application des charges, on adoptera un raisonnement et on effectuera les calculs encontraintes effectives ou en contraintes totales. Les indications à ce sujet données dans les fasciculesQuais-poids et Actions du terrain peuvent être transposées aux barrages.

Les combinaisons types d’actions définissent sans ambiguïté la valeur représentative de crue ou dedébit à prendre en compte.

Page 15: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 15

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Il peut arriver dans certains cas, quand l’ouvrage fonctionne en régime noyé à partir d’un certain débit,que le débit le plus contraignant soit inférieur au débit de calcul. Le dimensionnement (hydraulique etstructurel) doit en tenir compte.

� Voir aussi les cas de charge pour les autres types d’ouvrages :

♦ Quais-poids♦ Gabions de palplanches♦ Écluses♦ Quais sur pieux♦ Ducs d’Albe♦ Rideaux de soutènement♦ Talus et pentes♦ Digues des voies navigables♦ Parties en béton des ouvrages♦ Structures métalliques

� Voir aussi les généralités sur les combinaisons d’actions.

5. DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE

5.1 DONNEES ET PARAMETRES

Les grandeurs ou informations suivantes sont supposées être connues :

♦ les débits représentatifs de la rivière,

♦ la loi hauteur débit à l’aval de l’ouvrage (non influencée par le barrage), ainsi que sonévolution possible dans le temps (par exemple liée aux évolutions morphodynamiquesnaturelles de l’ouvrage),

♦ la cote de Retenue Normale (niveau normal maintenu dans la retenue par le barrage enpériode de basses eaux),

♦ le type de barrage (à sous-verse ou à surverse),

♦ la largeur maximale d’emprise disponible,

♦ les dimensions souhaitées des vannes et des piles, étant entendu que l’on cherche dans lamesure du possible des dimensions standardisées.

Page 16: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 16

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Les principales notations utilisées sont indiquées sur le schéma ci-dessous (exemple de barrage àsurverse).

h3

h1V1

Z3

Z1 ZD

ZS

On appelle :

♦ Z1 : niveau d’eau amont,

♦ h1 : hauteur d’eau amont comptée à partir de la cote déversante : h Z ZS1 1= − ,

♦ h3 : hauteur d’eau aval comptée à partir de la cote déversante : h Z ZS3 3= − ,

♦ V1: vitesse à l’approche du barrage,

♦ H1 : hauteur de charge amont comptée à partir de la cote déversante : H hV

g1 11

2

2= + ,

♦ ZS : cote déversante lorsque le barrage est grand ouvert (cote du seuil des vannes pour lesbarrages à sous-verse, ou cote du clapet entièrement effacé pour les barrages à surverse),

♦ ZD : cote déversante du clapet en position haute (barrages à surverse),

♦ ZR : cote du bassin de dissipation,

♦ Z3 : niveau d’eau aval,

Page 17: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 17

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.2 NIVEAUX DE SECURITE

Les états-limites et les conditions qui font l’objet du dimensionnement hydraulique ci-aprèsressortissent à la catégorie des états-limites ultimes ; ils sont vérifiés avec les crues ou les débits decalcul et, si nécessaire, accidentels, précisés au titre des « états-limites fonctionnels » dans lefascicule Actions quasi-statiques des niveaux d’eau.

Il n’est pas défini de coefficient de modèle.

5.3 DETERMINATION DES COTES HYDRAULIQUES

La cote du seuil ZS est déterminée de façon à ce que, en période de crue, les niveaux générés parl’ouvrage à l’amont restent compatibles avec les contraintes d’inondation.

La cote ZR du bassin de dissipation est déterminée de façon à contrôler la position du ressauthydraulique.

Ces aspects sont développés plus en détail ci-après et les méthodes appropriées sont présentéesdans le fascicule Écoulement des eaux.

Page 18: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 18

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.4 ETAT-LIMITE DE REMOUS EN PERIODE DE CRUE

5.4.1 DESCRIPTION DE L’ETAT-LIMITE

Le dimensionnement hydraulique concerne un état-limite de remous en période de crue : lessurélévations des niveaux fluviaux doivent rester inférieures à une valeur maximale admissible, quidépend du contexte local (en particulier la vulnérabilité des lieux habités vis-à-vis des inondations), engénéral arrêtée en concertation avec les administrations concernées (DIREN, DDAF, DDE...).

En période de crue, le barrage grand ouvert doit donc générer une perte de charge suffisammentfaible pour que le remous provoqué à l’amont reste en deçà d’une valeur acceptable. Ce principe estreprésenté sur le schéma ci-dessous.

Point A Barrage

∆hmax

∆h

Ligne d'eau avant barrage

Ligne d'eau après barrage

Si, au point A, la surélévation maximale admissible est ∆hmax, la perte de charge à l’ouvrage ∆h devraêtre suffisamment faible pour que la courbe de remous en amont du barrage passe sous le niveaumaximum admissible en A.

Cet état-limite hydraulique permet de dimensionner les principaux paramètres de la perte de charge :

♦ la largeur totale déversante de l’ouvrage,

♦ la cote du seuil (vannes grandes ouvertes).

Dans ce qui suit, nous ne nous intéressons qu’à l’évaluation de la perte de charge locale ∆h del’ouvrage. Les courbes de remous dans la retenue sont calculées par les méthodes classiques.

Nous considérons le fonctionnement de l’ouvrage en crue, lorsque les vannes sont grande ouvertes.

Page 19: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 19

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.4.2 MODELE REDUIT PHYSIQUE

La perte de charge générée par le barrage est la conséquence du champ des vitesses et du champdes pressions qui se développent au voisinage des parties fixes de l’ouvrage. Les écoulementsprésentent un caractère tridimensionnel au droit de l’ouvrage : décollement des filets liquides autourdes piles et des culées, formations de rouleaux à l’aval, pression non hydrostatique sur la crêtedéversante et la partie amont du coursier.

Les modèles numériques tridimensionnels, capables de prédire précisément ces champstridimensionnels ne sont pas encore aujourd’hui opérationnels. Autrement dit, seul le modèle réduitphysique de l’ouvrage fournit un modèle détaillé de ces processus.

La mise en œuvre d’un modèle réduit physique n’est pas systématique : pour les ouvrages simples etcourants, les méthodes empiriques de dimensionnement, présentées ci-après, peuvent s’avérersuffisantes (moyennant probablement un surdimensionnement). Le modèle réduit est préconisé :

♦ si l’ouvrage est suffisamment complexe pour sortir du domaine de validité des méthodessimples,

♦ et/ou si l’optimisation de l’ouvrage apporte une économie au projet supérieure au coût deconstruction et d’exploitation du modèle.

Quoi qu’il en soit, un modèle réduit, s’il est réalisé, n’intervient qu’au stade d’optimisation de l’ouvrage(c’est à dire au stade du projet). La conception générale et le prédimensionnement (stade avant-projet)font appel aux méthodes simples présentées plus loin. De plus, les essais effectués sur le modèlen’auront pas pour seul objectif la mesure de la perte de charge en crue. Les aspects suivants serontégalement étudiés :

♦ les ouvertures dissymétriques des vannes,

♦ l’étalonnage des vannes (ouvertures partielles),

♦ les affouillements au voisinage de l’ouvrage, l’optimisation du bassin de dissipation et ladéfinition des protections,

♦ les phases de construction de l’ouvrage.

Le modèle est réalisé à une échelle suffisamment grande pour qu’il soit précis et fiable (en généralcomprise entre 1/30 et 1/60). Selon l’objectif assigné, l’ouvrage sera représenté dans sa totalité oupartiellement (par exemple, un modèle en canal vitré reprenant une passe et deux demi-passes dubarrage).

L’emprise du modèle est définie de manière telle que les longueurs en amont et en aval du barragesoient suffisantes pour :

♦ assurer un bon établissement des vitesses à l’approche de l’ouvrage,

♦ couvrir en aval toute la zone susceptible d’être affouillée,

♦ permettre les études éventuelles de phases de chantier.

Page 20: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 20

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Le programme d’essais est établi en fonction des différents points à étudier.

� Voir aussi les généralités sur le modèle réduit physique.

� Voir aussi les notions de similitude nécessaires à la réalisation d’un modèle réduit.

5.4.3 MODELES ANALYTIQUES SIMPLES

5.4.3.1 Principe

Les méthodes présentées ci-après font appel :

♦ à une simplification de la modélisation du phénomène étudié (dans le sens de la sécurité),

♦ et/ou aux différentes expérimentations réalisées sur modèle réduit physique à l’occasiond’études générales ou de recherche appliquée.

On examine successivement le fonctionnement normal du barrage, lorsque toutes les vannes sontgrandes ouverte, puis le fonctionnement accidentel, lorsqu’une des vannes reste bloquée en positionfermée.

On suit en général une démarche itérative. Après avoir fixé dans un premier temps le nombre desvannes (en général supérieur à 3) et leurs dimensions ( en fonction de la cote de retenue normale et lalargeur totale disponible), la cote du seuil des vannes ZS est calculée de façon à ce que la perte decharge soit acceptable en fonctionnement normal. Puis le fonctionnement accidentel est étudié. Laconséquence du blocage d’une passe sur la perte de charge détermine alors le nombre de passes àenvisager. Il est possible aussi que l’analyse de ce cas de fonctionnement conduise à modifier la cotedu seuil.

5.4.3.2 Fonctionnement normal du barrage

Toutes les vannes sont grandes ouvertes. Si B est la largeur totale de l’ouvrage, la largeur nette Buofferte à l’écoulement peut s’écrire :

�−= niu bcBB

1 1

avec :

♦ n : le nombre de piles,

♦ bi : la largeur des piles,

♦ c1 : le coefficient d’obstruction des piles.

Le coefficient c1 dépend de la géométrie des piles, et de l’angle d’incidence de l’écoulement. Pour unouvrage bien alimenté (axe de l’ouvrage perpendiculaire à l’écoulement), c1 est en général comprisentre 1,05 et 1,10 (proche de 1,00 pour des piles bien profilées).

Page 21: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 21

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Le débit q par unité de largeur est calculé par : uB

Qq = , Q étant le débit total. La charge spécifique H1

en amont du seuil est évaluée par :

♦ en écoulement dénoyé : 2/312 Hgmq = ,

♦ en écoulement noyé : 3132385.0

hHhgmq −= .

où m est un coefficient de débit compris entre 0,385 (seuil épais) et 0,450 (seuil bien profilé).

La hauteur aval h3 lim est évaluée en égalisant les deux expressions du débit. Si h3 > h3 lim ,l’écoulement est noyé, sinon l’écoulement est dénoyé. Le niveau d’eau à l’amont de l’ouvrage est alorscalculé par :

gVHZZ S 2

21

11 −+=

5.4.3.3 Fonctionnement accidentel du barrage

En supposant qu’une vanne reste bloquée en position fermée, la largeur nette Bu offerte àl’écoulement s’écrit :

vn

iu bcbcBB 21 1 −−= �

avec :

♦ bv : la largeur de la passe fermée,

♦ c2 : le coefficient d’obstruction, dont la valeur est de l’ordre de 1,25 (on suppose qu’unevanne en position fermée entraîne une obstruction égale à 1,25 fois sa largeur).

Pour un barrage à sous-verse, on applique les formules ci-dessus avec cette nouvelle valeur de Bu .Pour un barrage à surverse, on prendra en compte le débit déversé par dessus le clapet resté enposition haute, en appliquant la formule valable en écoulement noyé, dans laquelle H1 est comptée àpartir de la cote supérieure du clapet ZD .

Page 22: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 22

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.5 LONGUEUR DU BASSIN DE DISSIPATION

5.5.1 SEUIL FIXE ET BARRAGE GRAND OUVERT

Le bassin de dissipation est un élément fondamental de la protection de l’ouvrage contre lesaffouillements. Il doit être conçu de façon à contenir le ressaut hydraulique, et ceci pour tous les cas defonctionnement de l’ouvrage (débits, niveaux aval).

Pour un débit Q donné, le débit unitaire q est évalué par la formule indiquée ci-avant pour le« fonctionnement normal du barrage » ; on multiplie ce débit par un coefficient c qui tient compte del’alimentation de l’ouvrage :

♦ si l’ouvrage est bien alimenté, c est peu différent de 1,00 ; on choisit alors une valeursécuritaire de l’ordre de 1,10 (augmentation de 10 % du débit unitaire) ;

♦ si un obstacle est à craindre au voisinage de la crête de l’ouvrage (embâcle,éventuellement projet d’infrastructure - une micro-centrale par exemple), la valeur

recommandée est bB

Bc2−

= , b étant la largeur de l’obstacle.

L’écoulement sur le seuil est schématisé sur le graphique ci-dessous.

H1

ZH1

gV2

21

Z3

h3

ZR

h2

ZS

h1

Z1

S1 S2 S3

La charge spécifique H1 en amont du seuil, calculée à partir de la cote déversante ZS, est évaluée parles formules indiquées ci-avant pour le « fonctionnement normal du barrage », que l’on rappelle ci-dessous :

♦ en écoulement dénoyé : 2/312 Hgmq = ,

♦ en écoulement noyé : ''3132

385.0hHhgmq −= ,

Page 23: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 23

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

♦ h’3 est la hauteur aval comptée à partir de la cote ZS : SZZh −= 33'

où m est un coefficient de débit, qui vaut en moyenne 0,450 pour les seuils profilés en béton, 0,385 à0,400 pour les seuils en enrochements à crête épaisse, et 0,430 à 0,450 pour les seuils enenrochements à crête mince.

Pour tous les débits considérés, les données du problème sont donc :

♦ le débit unitaire q,

♦ la cote de charge amont 11 HZZH S += ,

♦ le niveau d’eau aval Z3 .

Le calcul est effectué :

♦ en négligeant la perte de charge par frottement entre les sections S1 et S2 (ce qui va dansle sens de la sécurité vis-à-vis de la dissipation d’énergie),

♦ en écrivant l’équation du ressaut, en section rectangulaire, entre les sections S2 et S3.

En faisant intervenir la charge critique Hc sur le seuil, définie par 3/2

7.1��

���

�= qHc , les deux équations

suivantes sont obtenues :

2

2

3231 147.0 ���

����

�+−=−

hH

Hh

Hh

HZZH c

ccc

���

���

�−��

����

�+= 136.21

21

3

3

32

hH

Hh

Hh c

cc

On dispose donc de deux équations à deux inconnues, qui sont h2 et h3. La cote du radier dedissipation est alors calculée par :

33 hZZR −=

Dans les calculs précédents, la longueur du ressaut n’est pas prise en compte. Une relationcommunément admise est la suivante, LR désignant la longueur du bassin de dissipation :

( ) LhhLR ∆+−= 235

où ∆L désigne la distance entre le pied du coursier et le début du ressaut (valeur nulle si le bassin estcalé de telle sorte que le ressaut se produise au pied du coursier).

Page 24: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 24

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

� Voir aussi une description des écoulements sur un seuil fixe ou un barrage grand ouvert.

5.5.2 BARRAGE OUVERT PARTIELLEMENT

5.5.2.1 Barrage à sous-verse

Pour un prédimensionnement, on peut soit utiliser le modèle simplifié proposé ci-dessus pour lesseuils fixes, soit calculer l’écoulement torrentiel à la sortie de la vanne avec, comme condition limiteamont, la hauteur contractée déterminée dans le fascicule Écoulement des eaux. Le niveau de chargeamont ZH1 est le niveau de consigne du barrage.

� Voir aussi une description des écoulements en sous-verse.

5.5.2.2 Barrage à surverse

L’écoulement sur un barrage à surverse est schématisé sur le graphique ci-dessous :

Ld

Z3

Protections aval

Ressaut

ZR

hc

hf

ZD

Z1

ZH1

H1

gV2

21

h1

h3

h2

S1 S'1 S2 S3

Deux approches sont possibles pour le prédimensionnement.

La première consiste à considérer la face intérieure de la nappe déversant comme un seuil de formeparfaite et sans frottement. On utilise alors le modèle proposé pour les seuils fixes pour évaluer la coteZR du bassin.

La seconde approche, issue de résultats d’essais systématiques, utilise les relations empiriquessuivantes :

275.12 )(54.0wh

wh c=

81.0)(30.4wh

wL cd =

Page 25: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 25

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

66.0)(wh

wh cf =

81.03 )(66.1wh

wh c=

Dans ces équations, hc est la hauteur critique sur le clapet, évaluée par 3/12

)(gqhc = , et w est la

hauteur totale de la chute, soit RD ZZw −= . Leur domaine d’application correspond à

00,107,0 ≤≤whc .

La longueur totale du bassin de dissipation est donc égale à :

)(5 23 hhLL DR −+=

� Voir aussi une description des écoulements en surverse.

6. FORMULATION DES ETATS-LIMITES STRUCTURAUX

6.1 DESCRIPTION DES PHENOMENES A EVITER

6.1.1 INSTABILITE EXTERNE

Glissement-plan : voir le fascicule Quais-poids. Cet état-limite correspond à l’équilibre global de lastructure sous l’effet des forces horizontales motrices dont on vérifie qu’elles peuvent être reprises parla mobilisation d’un frottement à l’interface sol-ouvrage ou sol-sol. Le choix des plans de glissementest important (par exemple cisaillement ou non du dispositif d’étanchéité amont, prise en compte d’unmassif de sol sous l’ouvrage...). Leurs déformations et l’évolution probable de leurs propriétés est àexaminer.

Décompression du sol de fondation : voir le fascicule Quais-poids. La décompression à l’interfacede la fondation et du sol est un phénomène important en ce sens que la distribution des pertes decharge n’est uniforme que si la fondation est entièrement comprimée, c’est-à-dire si le barrage resteau contact du massif de fondation sur toute la largeur de sa base, et notamment à l’amont. Dans lecas contraire, la partie amont du barrage se décolle du massif de fondation et une fissure s’ouvre à labase.

Poinçonnement du sol de fondation ou capacité portante : voir le fascicule Quais-poids.

Page 26: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 26

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

6.1.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE

Stabilité des protections amont et aval : la partie aval des barrages, ou aval-radier, protégée pardes enrochements, supporte le ressaut hydraulique et prémunit l’ouvrage contre les risquesd’instabilité qu’induirait le creusement d’une fosse de dissipation à l’aval. Elle permet aussid’augmenter la sécurité de l’ouvrage vis-à-vis de l’érosion interne :

♦ en augmentant le chemin de filtration, si elle est étanche,

♦ en empêchant que des éléments fins ne soient emportés, si les conditions de filtre sontsatisfaites.

La partie amont des seuils doit aussi être protégée de l’effet érosif des écoulements.

Conditions de filtre : voir le fascicule Digues des voies navigables.

Autres phénomènes : la boulance concerne les matériaux soumis à des écoulements hydrauliquesascendants déstabilisateurs, pouvant liquéfier localement le sol ; la boulance peut se produire aussibien dans les argiles que dans les matériaux pulvérulents. Le soulèvement en masse affecte le massifde sol en butée derrière un soutènement. La ruine d’un barrage peut survenir également si unprocessus d’érosion régressive, c’est-à-dire d’entraînement des particules du sol de fondation, sedéveloppe à partir des zones de résurgence de l’écoulement qui traverse le sol.

L’érosion régressive est naturellement favorisée par l’existence de cheminements préférentiels dans ledomaine d’écoulement : fissures transversales, couches plus perméables d’un sol de fondationhétérogène, contact béton-sol mal conçu ou mal exécuté... Compte tenu du caractère progressif duphénomène d’érosion régressive, ses effets peuvent ne se manifester que longtemps après la mise enservice.

Ces phénomènes sont regroupés sous le terme de « renard ». Ils constituent des manifestationsparticulièrement dangereuses pour l’ouvrage : en situation durable d’exploitation, l’érosion régressiveet, en situation transitoire de construction ou de maintenance, la boulance et le soulèvement en piedd’un batardeau (voir les fascicules Rideaux de soutènement et Gabions de palplanches).

6.1.3 INSTABILITE INTERNE

Structures métalliques : voir le fascicule Structures métalliques.

Béton armé : voir le fascicule Parties en béton des ouvrages.

6.1.4 INSTABILITE GLOBALE

Grand glissement : voir le fascicule Talus et pentes.

Page 27: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 27

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

6.1.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS

Tassement absolu : ce phénomène n’est en général pas préjudiciable à l’ouvrage, mais il faut vérifierqu’il n’y a pas de risque d’abaissement des lignes d’eau.

Tassement différentiel : les tassements différentiels doivent être vérifiés vis-à-vis de l’état-limite defonctionnement mécanique des bouchures, selon des critères qui dépendent de la techniqueemployée. Les clapets articulés de façon quasi-continue sur le radier s’accommodent mal de cephénomène : un clapet supporté par une file d’appuis ponctuels sera très sensible aux tassementsdifférentiels.

6.2 CLASSEMENT DES ETATS-LIMITES ET COMBINAISONS TYPES D’ACTIONS ASSOCIEES

Les états-limites sont classés et associés aux combinaisons types d’actions comme indiqué dans letableau ci-dessous.

Etat-limite Catégorie Combinaisons types associées

INSTABILITÉ EXTERNE

Glissement plan se reporter au fascicule Quais-poids

Décompression du sol de fondation se reporter au fascicule Quais-poids

Poinçonnement du sol de fondation se reporter au fascicule Quais-poids

INSTABILITÉ HYDRAULIQUE

Boulance se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Soulèvement en masse se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Érosion régressive se reporter au fascicule Gabions de palplanches

Conditions de filtre se reporter au fascicule Digues des voiesnavigables

ELU fondamentale / accidentelleStabilité des protections amont et aval

ELS rare / fréquente

INSTABILITÉ INTERNE

Résistance des structures métalliques se reporter au fascicule Structures métalliques

Résistance du béton armé se reporter au fascicule Parties en béton desouvrages

DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS

Tassements absolus ELS quasi-permanente

Tassements différentiels ELS quasi-permanente

INSTABILITÉ GLOBALEse reporter au fascicule Talus et pentes

Page 28: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 28

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

� Voir aussi les états-limites à vérifier pour d’autres types d’ouvrages :

♦ Quais-poids♦ Gabions de palplanches♦ Écluses♦ Quais sur pieux♦ Ducs d'Albe♦ Rideaux de soutènement♦ Talus et pentes♦ Digues des voies navigables♦ Parties en béton des ouvrages♦ Structures métalliques

6.3 ASPECTS PARTICULIERS LIES A LA PRISE EN COMPTE DE LA SECURITE

La sécurité dans la justification des barrages mobiles dépend avant tout des conditions hydrauliquesretenues pour le projet. A ce titre la détermination des sous-pressions dans le sol joue un rôlefondamental.

� Voir aussi les méthodes pour déterminer les forces d’écoulement dans les sols.

Le caractère favorable ou défavorable du poids propre de l’ouvrage et de ses équipements doit êtreexaminé vis-à-vis de l’état-limite de capacité portante.

La condition d’état-limite de résistance des protections par enrochements s’exprime par :

γd . Dmin ≤ Dactuel

où Dmin dépend des conditions de l’écoulement et des propriétés des blocs (densité). Les conditions del’écoulement servent à définir des situations de projet et, de ce fait, ne sont pas affectés par descoefficients partiels (voir le fascicule Actions quasi-statiques des niveaux d’eau). Les niveaux desécurité élevés requis pour la stabilité des seuils et des avals-radier sont pris en compte parl’introduction de coefficients de modèle γd et γd, serv .

Page 29: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 29

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7. MODELISATION DU COMPORTEMENT STRUCTURAL DE L’OUVRAGE

� Voir l’application à un CCTP.

7.1 INSTABILITE EXTERNE

7.1.1 GLISSEMENT-PLAN

Les plans de glissement sont horizontaux. On considère généralement le plan correspondant à lapartie la plus profonde de l’ouvrage, soit la partie aval du radier, en intégrant le massif de sol« emprisonné » entre celle-ci et l’amont du radier.

On néglige généralement la butée à l’aval du radier, du fait de la possible disparition par érosion desprotections.

En raison du doute qui enveloppe la résistance de la connexion des rideaux parafouille avec le radier,ces derniers ne jouent pas de rôle mécanique direct et, de ce fait, ne sont pas pris en compte dans lamodélisation générale de la fondation mais pour les seuls états-limites d'hydraulique des sols(entraînement de fines, renard...).

� Voir aussi le fascicule Quais-Poids.

7.1.2 DECOMPRESSION DU SOL DE FONDATION

Les critères de décompression proposés dans les tableaux à la fin de ce fascicule sont plus sévèresque ceux qui sont définis pour les quais-poids en raison de la sensibilité des barrages à ce genre dephénomène.

7.1.3 POINCONNEMENT DU SOL DE FONDATION

� Voir le fascicule Quais-Poids.

7.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE

7.2.1 ETATS-LIMITES DE RENARD

� Pour la boulance, voir les fascicules Rideaux de soutènement et Gabions de palplanches.

� Pour l’érosion régressive, voir le fascicule Gabions de palplanches.

Page 30: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 30

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.2.2 CONDITIONS DE FILTRE

Pour assurer la transition entre le sol de fondation d’une part et les ouvrages d’autre part (ouvrages enbéton ou tapis d’enrochements), on interpose une ou plusieurs couches de matériaux, respectant lesconditions de filtre pour les couches supérieure et inférieure. On peut envisager l’emploi de géotextiles.

� Voir également le fascicule Digues des voies navigables.

7.2.3 STABILITE DES PROTECTIONS AMONT ET AVAL

7.2.3.1 Expression générale

Il est recommandé d’examiner la stabilité des protections amont et aval sur des modèles réduitsphysiques (fascicule Écoulement des eaux) qui, seuls, peuvent prendre correctement en compte lesphénomènes hydrauliques liés à des ouvertures dissymétriques. Pour le prédimensionnement, on peututiliser une démarche générale analytique (ci-après) qui consiste à évaluer le champ des vitesses suret au voisinage de l’ouvrage, puis à en déduire les protections à mettre en place pour se prémunircontre les affouillements.

L’expression générale de la résistance des enrochements libres soumis à l’action des écoulementshydrauliques est présentée dans le fascicule Valeurs représentatives ces résistances (formuled’Isbach) complétée par l’annexe au fascicule Écoulement des eaux.

L’expression générale de la condition d’état-limite est :

γd . Dmin ≤ Dréel

� Pour en savoir plus sur les affouillements en aval des seuils fixes et des barrages mobiles, voir lefascicule Écoulement des eaux.

Page 31: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 31

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.2.3.2 Seuils

A l’amont du seuil :

Il s’agit des protections mises en place éventuellement à l’amont de l’ouvrage, où se produit la mise envitesse aux abords de la crête déversante.

L

e

V0 Vc hc

A la transition entre le lit naturel et le début des protections, la couche limite est inférieure à la hauteurd’eau. Pour se placer dans le sens de la sécurité, on suppose que la hauteur h’ de la couche limitecorrespond au diamètre D de l’enrochement, ce qui revient à appliquer une formule de type Isbachavec n = 1,38 (qui correspond à Ac = 0,060). Le diamètre Dmin est alors calculé par :

∆=

2

min 027,0 VD

où Dmin est exprimé en mètres, et ∆ désigne la densité déjaugée des enrochements.

La vitesse V peut être évaluée en calculant la courbe de remous avec comme condition aval la hauteurcritique hcrit sur le seuil, ce qui permet également de fixer la longueur L de la protection. La valeurmajorante de la vitesse est la vitesse critique critcrit ghV = sur le seuil. On peut donc conserver cette

valeur sécuritaire pour prédimensionner la protection, avec 3/12

���

����

�=

gqhcrit .

La longueur L de la protection est en général de l’ordre de 1 à 2 fois la hauteur critique hcrit.

L’épaisseur e de la protection est en général e = 2 . Dmin .

� Pour plus d’éléments sur les lois de comportement des matériaux plongés dans un écoulementfluide, voir l’annexe du fascicule Écoulement des eaux.

Page 32: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 32

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

A l’aval du seuil :

Il s’agit des protections mises en place à la sortie du bassin de dissipation.

h0

x

Vt e

L Etat après affouillement

Etat initial

V0V

hhs

Le schéma ci-dessus représente un état admissible à l’aval de l’ouvrage. Une fosse d’affouillement esttolérée, pour autant qu’elle n’affecte pas la sortie immédiate de l’ouvrage. Les protections enenrochements disposés à l’aval de l’ouvrage « tapissent » cette fosse et la maintiennent dans l’étatschématisé sur le graphique.

Sans préjuger de cet état final, les protections sont dimensionnées en fonction de la vitesse V à lasortie du bassin de dissipation. L’écoulement sur le radier est de nature turbulent lisse, ce qui signifieune faible valeur de la couche limite.

Sur les enrochements, à la transition radier-protections, on suppose comme précédemment que lahauteur de la couche limite est de l’ordre du diamètre des blocs. La difficulté réside en l’évaluation dela vitesse V. Il est préconisé de prédimensionner les enrochements par une formule de type Isbach,écrite sous la forme générale :

∆=

2

minVaD

où a est un coefficient que l’on peut évaluer selon deux approches :

♦ la vitesse V prise en compte est la vitesse moyenne, comptée sous le niveau aval, avec lelit initial de la rivière. Les Design Criteria de l’US Corps of Engineers recommandent lavaleur a = 0,071 ;

♦ une valeur a = 0,027 est prise en compte (comme pour les protections amont), la vitesseréelle V étant estimée d’après les essais systématiques effectués sur modèle réduit. Lesvaleurs proposées sont indiquées sur le graphique ci-dessous (F est le nombre de Froudeen amont du ressaut).

Page 33: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 33

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Vite sse s à l'a va l du re ssa ut

0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1

1 ,2

0 1 2 3 4 5 6

x/ h0

V/V

t F= 2

F= 4

F= 6

L’épaisseur e de la protection doit être de l’ordre de 2 à 3 fois le diamètre des blocs.

La longueur L doit être telle que le volume des blocs soit suffisant pour tapisser entièrement la fossed’affouillement aval. On peut estimer grossièrement ce volume Vp en supposant une pente d’équilibrede 2 horizontal pour 1 vertical recouverte d’une couche de blocs :

DhV sp ..2=

7.2.3.3 Barrages mobiles

Lorsque les vannes des barrages sont grande ouvertes, en période de crue, le niveau amont n’est pluscontrôlé. On se ramène donc au cas d’un seuil fixe, et tout ce qui est dit dans la section précédentes’applique. Les seules différences concernent la largeur nette de déversement, qu’il faut évaluer entenant compte :

♦ de l’obstruction provoquée par les parties fixes de l’ouvrage (piles),

♦ de la possibilité du blocage accidentel d’une (ou de plusieurs) vannes en position fermée,

ainsi que les perturbations apportées au champ des vitesses au voisinage de l’ouvrage lorsqu’une ouplusieurs vannes restent bloquées en position fermée (écoulements dissymétriques).

Toutes les méthodes présentées plus haut pour les seuils fixes s’appliquent. En ce qui concerne lesimpacts sur les affouillements du blocage d’une ou plusieurs vannes en position fermée, ils sontétudiés finement sur modèle réduit physique ; pour un prédimensionnement, on peut appliquer lemodèle simplifié en tenant compte de la largeur nette de déversement (situations où les passes sontouvertes, situations accidentelles où une passe reste fermée...) par les formules des seuils fixes.

Page 34: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 34

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.2.3.4 Enrochements liés

Si des enrochements liés sont utilisés, le diamètre des blocs doit être identique à celui d’une protectionen enrochements libres. L’épaisseur quant à elle est dimensionnée :

♦ au regard des sous-pressions : un calcul de stabilité doit être mené, qui déterminel’épaisseur à donner au revêtement pour équilibrer les sous-pressions, sous les hypothèsessuivantes à discuter pour chaque projet :

• liaison radier / aval-radier parfaitement étanche,

• pas de cohésion à l’interface radier / aval-radier ; pas d’efforts de traction dans lapartie inférieure de l’aval-radier (le poids de l’aval-radier doit être supérieur auxsous-pressions).

♦ au regard des efforts hydrodynamiques : l’épaisseur de la protection doit être au moinségale au diamètre des enrochements libres, tel que résultant des formules classiques dedimensionnement des enrochements ; on garantit ainsi la stabilité des blocs en cas defissuration du liant.

� Pour plus d’éléments sur la théorie du calcul des affouillements, voir l’annexe du fasciculeÉcoulement des eaux.

7.3 INSTABILITE INTERNE

7.3.1 STRUCTURES METALLIQUES

� Voir le fascicule Structures métalliques.

7.3.2 BETON ARME

� Voir le fascicule Parties en béton des ouvrages.

7.4 INSTABILITE GLOBALE

� Voir le fascicule Talus et pentes.

Page 35: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 35

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS

Le calcul des tassements nécessite :

♦ une connaissance précise des propriétés du sol d’assise et de son éventuellehétérogénéité,

♦ l’analyse du mode de répartition des sollicitations apportées par l’ouvrage à son assise.

� Voir à cet effet quelques indications dans le fascicule Paramètres géométriques.

� Voir aussi les fascicules :

♦ Quais-poids♦ Talus et pentes

8. COEFFICIENTS PARTIELS

8.1 COEFFICIENTS DE VALEUR

On écarte de l’analyse qui suit les éléments métalliques faisant partie de l’ouvrage (palplanches,tirants, bouchures).

Pour la vérification en situation durable ou transitoire des états-limites ressortissant à la catégoriedes états-limites ultimes, les valeurs de calcul des principaux paramètres pertinents pour lesouvrages traités ici, avec application selon le cas des coefficients partiels de valeur (≠ 1,00),concernent :

♦ les cotes en pied d’ouvrage et les niveaux du fond des rivières,

♦ la résistance à la compression du béton, la limite élastique des aciers de renforcement, larésistance au cisaillement des sols (en cohérence avec les actions du terrain, et lesparamètres d’interaction sol-structure),

♦ la capacité portante des fondations superficielles (en cohérence avec les propriétés dessols),

♦ la résistance des enrochements de protection,

♦ l’inclinaison des pressions du terrain en poussée et en butée (en cohérence avec lespropriétés du sol), le frottement de glissement,

♦ les actions :

• pressions du sol en poussée et en butée (en cohérence avec les propriétés dessols, les paramètres d’interaction sol-structure et les niveaux d’eau),

Page 36: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 36

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

• niveaux d’eau,

• poids propre,

• écoulement des eaux, efforts transmis par les parties mobiles,

� Voir aussi les autres actions, notamment :

♦ Courant♦ Manœuvre

Pour la vérification en situation durable ou transitoire des états-limites ressortissant à la catégoriedes états-limites de service, les principaux coefficients partiels de type γR, serv ou γM, serv concernent :

♦ la capacité portante des fondations superficielles.

Les critères de service sont proposés dans le fascicule Paramètres géométriques.

Pour la vérification en situation accidentelle des états-limites ressortissant à la catégorie des états-limites ultimes, les principaux coefficients partiels de type γR, acc ou γM, acc concernent :

♦ la résistance à la compression du béton.

8.2 COEFFICIENTS DE MODELE

� Voir l’application à un CCTP.

8.2.1 EN SITUATIONS DURABLES ET TRANSITOIRES

Etat-limite et combinaisonassociée

Modèle Valeur de γγγγd ou γγγγd, serv

INSTABILITÉ EXTERNE

Glissement plan(fondamentale) 1,10

Décompression du sol de fondation

fondamentale 10 %

rare 80 %

quasi-permanente

Navier

100 %

Poinçonnement du sol defondation se reporter au fascicule Quais-poids

Page 37: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 37

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

INSTABILITÉ HYDRAULIQUE

Boulance se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Soulèvement en masse se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Érosion régressive se reporter au fascicule Gabions de palplanches

Conditions de filtre se reporter au fascicule Digues des voies navigables

Stabilité des protections amont et aval seuils fixes barrages mobiles

fondamentale 1,00 1,25

rare 1,25 1,50

fréquente 1,50 1,75

INSTABILITÉ INTERNE

Résistance des structuresmétalliques se reporter au fascicule Structures métalliques

Résistance du béton armé se reporter au fascicule Parties en béton des ouvrages

DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS

Tassements absolus(quasi-permanente) /

Tassements différentiels(quasi-permanente) /

INSTABILITÉ GLOBALEse reporter au fascicule Talus et pentes

La différence entre les coefficients de modèle définis ci-dessus pour l’état-limite de poinçonnement dusol s’explique par l’utilisation de deux modes de pondération différents. Il ne s’agit pas d’une remise encause comparative de la qualité des modèles de résistance.

Page 38: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 38

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

8.2.2 EN SITUATIONS ACCIDENTELLES

Etat-limite Modèle Valeur de γγγγd, acc

INSTABILITÉ EXTERNE

Glissement plan 1,00

Décompression du sol defondation 10 %

Poinçonnement du sol defondation se reporter au fascicule Quais-poids

INSTABILITÉ HYDRAULIQUE

Boulance se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Soulèvement du massif enpied se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Érosion régressive se reporter au fascicule Gabions de palplanches

Conditions de filtre se reporter au fascicule Digues des voies navigables

seuils fixes barrages mobilesStabilité des protections amont et aval

1,00 1,00

INSTABILITÉ INTERNE

Résistance des structuresmétalliques se reporter au fascicule Structures métalliques

Résistance du béton armé se reporter au fascicule Parties en béton des ouvrages

INSTABILITÉ GLOBALEse reporter au fascicule Talus et pentes

� Voir aussi les coefficients de modèle pour les états-limites d’autres types d’ouvrages :

♦ Quais-poids♦ Gabions de palplanches♦ Écluses♦ Quais sur pieux♦ Ducs d’Albe♦ Rideaux de soutènement♦ Talus et pentes♦ Digues des voies navigables♦ Parties en béton des ouvrages♦ Structures métalliques

Page 39: Barrages Mobiles

_________________________________________________________________________________Barrages mobiles page 39

Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

9. TEXTES DE REFERENCE

FASCICULE 62 titre V du C.C.T.G., (1993)Règles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de génie civilMinistère de l’Équipement.

VNF - CETMEF, (1998)Les barrages mobiles de navigation : guide du chef de projetÉditions du Moniteur.

US Army Corps of Engineers, (2000)Design of spillways Tainter gatesEM 1110-2-2702, Washington DC, USA.

Compagnie Nationale du Rhône, (1994)Liaison Saône-Rhin : étude hydraulique de la voie navigableCNR, Lyon.

Antoine, F., Josseaume, H., Levillain, J. P., Rouas, G., (1992)Recommandations sur les barrages-réservoirs d’alimentation des canaux à bief de partage : expertise,surveillance et entretien, confortementNotice STC VN n° 92.02 - CETMEF.

oOo