SYSTEMES HYDRAULIQUES COMPLEXES

Programme

• Présentation générale

• Techniques de stabilisation des berges et des lits des cours d’eau

• Rappels de quelques notions d’écoulements à surface libre et transport solide

• Introduction de HEC-RAS

• Modélisation d’un cours d’eau naturel

Bibliographie à consulter

• Écoulement fluviale, Tome 1 et Tome 2 H.W. Graf & M. Altinakar (bibliothèque).

• Mécanique des fluides et Hydraulique, Lencastre (bibliothèque).

• Mécanique des fluides appliquée, M. Hug (bibliothèque).

• Hydref et usermanuel de HEC-RAS (http://www.hec.usace.army.mil).

• http://www.cite-sciences.fr/francais/ala_cite/expositions/eau_pour_tous/player_videos.php?nom=120_Erosion.flv&width=685&height=510

TECHNIQUES DE STABILISATION DES BERGES ET DU LIT D’UN COURS D’EAU

Un cours d’eau est un monde vivant, complexe et diversifié.

Son fonctionnement dépend de son milieu environnant (bassin versant, homme).

Le bassin versant représente l’entité de gestion la plus cohérente car tout aménagement à l’amont se ressent à l’aval et vice versa.

Le cours d’eau est composé de plusieurs éléments dépendant les un des autres (eau, ripisylve, affluent, zone inondable, bras mort, zone humide, …..)

Définitions :

ELEMENTS DUN COURS D’EAU

Chenal principalBras mort

Ripisylve

(végétation

riveraine)

Zone

inondable

Bras secondaire

Nappe alluviale

ile, Atterrissement

Un cours d’eau est composée de 4 éléments :

- Un bassin versant qui réceptionne toutes les eaux de surface ainsi que les eaux de pluie.

- Un lit mineur : c'est la rivière proprement dite qui a reçu les eaux du bassin versant.

- Un lit majeur : c'est la zone occupée par les eaux de la rivière au moment des crues. C'est aussi le lieu de vie d'une grande variété d'organismes, des prairies et des forêts alluviales.

- Une nappe souterraine : c'est le réservoir d'eau du cours d'eau.

LES FONCTIONS D’UN COURS D’EAU

• Un cours d’eau a différentes fonctions :

• Une fonction paysagère.

• Une fonction récréative : un lieu de loisir avec, sur ses berges, le tourisme vert (randonnée, VTT, cheval) ou sur l'eau elle-même, le canoë-kayak, le rafting, l’hydrospeed, la baignade ou la pêche.

• Une fonction vitale pour les animaux et les végétaux.

• Une fonction économique : alimentation en eau potable des populations, alimentation des industries, irrigation des cultures, énergie hydroélectrique, navigation. 

L’eau d’un cours d’eau s’écoule et dissipe son énergie. Elle creuse le lit et les berges, transporte les sédiments produits et les dépose à l’aval.

Ce phénomène naturel contribue à la modification de la morphologie du cours d’eau et donc à son comportement hydraulique.

Il a pour conséquence d’inonder les terrains riverains et de menacer les biens et les personnes.

Photo satellite des inondations de la région de Arles - Nîmes, Décembre 2003

Une inondation dans un bidonville à Haiti

Centre ville de Rambervillers, Octobre 2006

Impact socio-économique direct

Impact socio-économique indirect

Par accumulation des eaux de ruissellement

TYPES D’INONDATIONS

Par remontée des eaux du réseau d’assainissement

Par débordement des cours d’eau

POURQOUI AMENAGER ET COMMENT ENTRETENIR UN COURS DEAU ?

Réduction des capacités d'écoulement par envasement du fond, et accroissement des risques d'inondation des terrains riverains.

Dégradation des fonctions biologiques de la rivière, perte de la biodiversité (disparition des frayères, perte des fonctions épuratrices) et dégradation de la qualité de l’eau ;

Diminution ou disparition de l'attrait paysager et touristique

Objectifs principaux de l’aménagement et l'entretien des cours d’eau  :

- Amélioration de l'écoulement des eaux dans les zones sensibles aux inondations ;

- Lutte contre l'érosion des berges en les stabilisant par des moyens naturels tel que l'entretien et l'aménagement de la ripisylve, c’est-à-dire de l’ensemble des arbres, buissons et arbustes qui vivent au bord des rivières.

L’entretien des cours d'eau doit répondre aux contraintes imposées (hydrauliques, accès, fréquentation, usages) en respectant et favorisant l'existence d'habitats multiples.

Les travaux d'entretien concernent :

la conservation de la capacité d'écoulement ;

le contrôle du développement de la végétation aquatique ;

la stabilité des berges, le contrôle du développement de la végétation des berges ;

l'état et le fonctionnement des ouvrages d'art (ponts, écluses, chaussées, vannes, etc.).

Entretien du lit du cours d’eau

• Le faucardageLe faucardage vise à assurer le bon écoulement des eaux, à éviter l'étouffement de la rivière lié aux problèmes d'oxygène, aux excès de matières organiques, et à supprimer les obstacles à la circulation des poissons, etc. Cependant, il ne doit pas déséquilibrer le milieu et doit, pour cela, être modéré afin :

– d'éviter les variations trop brutales de la qualité des eaux ;

– de maintenir les zones de reproduction, d'alimentation et de repos de la faune aquatique ;

– de maintenir les capacités auto-épuratrices de la rivière ;

– de protéger les berges ;

– de limiter les phénomènes d'érosion grâce aux herbiers qui constituent un frein hydraulique.

Le curage

Le curage vise à limiter l'engorgement du lit, à contrôler les zones de dépôts et à éviter le détournement du flux. Il peut néanmoins entraîner un bouleversement du cours d'eau en détruisant le lit, les végétaux et en modifiant les flux.

Le curage ne doit donc être réalisé que lors d’encombrements excessifs du cours d'eau et est à éviter si les dépôts sont limités et n’ont pas de conséquences sur l'écoulement et sur la stabilité des berges.

Le curage doit être programmé par secteurs limités et prioritaires et non sur une grande échelle. Il ne doit pas être réalisé à proximité des berges mais sur le centre du lit du cours d'eau.

Les embâcles et les atterrissements

Les embâcles sont des éléments qui obstruent un cours d'eau et peuvent empêcher le bon écoulement des eaux : troncs et branches ayant chuté, atterrissements, etc.

Un atterrissement est la partie émergente du lit d'un cours d'eau constituée soit par le dépôt de particules apportées par les eaux (notamment lors de crues) soit par des effondrements de berges.

Lors de l'entretien d'un cours d'eau, ils sont généralement enlevés bien qu'ils doivent être d'abord considérés comme un habitat nouveau et privilégié pour la faune aquatique et la faune fréquentant les zones humides. Les branchages peuvent en effet constituer des zones de refuge, de repos ou de frayère pour la faune aquatique ou des zones de repos pour certaines espèces d'insectes et d'oiseaux.

Ces dépôts sont un phénomène naturel, indispensable au bon fonctionnement de la rivière. Par conséquent, tout dépôt supprimé se reformera pratiquement au même endroit ou un peu plus loin et de manière d'autant plus importante que l'action humaine aura été importante.

C'est pourquoi le choix d'enlèvement des embâcles ou d'un atterrissement doit faire partie d'une gestion raisonnée et ne doit pas être systématique. Il est toutefois nécessaire de les retirer pour maintenir un bon écoulement général de la rivière ou pour assurer la stabilité des berges. Dans ce cas, il est judicieux d'en maintenir une partie dans le cours d'eau.

La lutte contre les inondations

Les aménagements sur le bassin versant permettent de :

- Maîtriser le ruissellement de l'eau jusqu'aux rivières ou jusqu‘aux zones susceptibles d'être inondées.

- Limiter l'érosion des sols.  Outils

Le schéma de drainage des terres : 

-Permet de ralentir et de réduire le ruissellement en améliorant l'infiltration des précipitations dans le sol.

- Limite le transport de matières solides susceptibles d'obstruer les chenaux d'écoulement de l'eau ou de remplir les bassins de rétention.

- Peut être utilisé dans un but agricole

Les bassins de rétention : 

Visent à contrôler l'écoulement de l'eau et des sédiments et sont conçus, généralement, pour contenir des crues de fréquence décennale.

Ces aménagements sont surtout adaptés aux zones rurales et espaces agricoles.

En zone urbaine, les surfaces imperméabilisées contribuent à l’augmentation du ruissellement de surface. Les schémas de drainage des terres sont remplacés par des techniques de stockage et d'infiltration des eaux combinées aux réseaux d'assainissement et d'évacuation des eaux pluviales.

Les ouvrages transversaux (barrages)

Visent à retenir ou dévier un certain volume d'eau de la rivière afin de réduire la fréquence des crues, l'étendue des zones inondées et la durée des pics de crue.

 Disposés en série ou en parallèle, les barrages sont des ouvrages multifonctions utilisés pour :

- La régularisation du débit pour le soutien d'étiage- L’alimentation en eau potable et l’irrigation- le tourisme- la production hydroélectrique

Efficacité et impacts de ces ouvrages

- Réduction des dommages sur les biens et les personnes.

- Artificialisation des régimes hydrauliques

- Modification des régimes thermiques et de la qualité des eaux

- Modification de la capacité de transport des cours d'eau.

Les équipements linéaires  - Augmenter la capacité maximale d'évacuation des eaux en période

de crue.- Limiter en surface l'espace inondé.

Travaux de correction et de régularisation des cours d'eau :  - Réduisent la hauteur de submersion lors des crues en facilitant

l'écoulement des eaux.- Creusent le lit mineur ou linéarise son cours. Pour cela, on peut :

- Elargir le lit mineur du cours d'eau par recalibrage- Approfondir le lit mineur par dragages- Remodeler le tracé du lit mineur- Mettre en place des enrochements, des épis.- Construire des seuils.

Digues et levées

- Permettent d’augmenter la hauteur des berges d'un cours d'eau afin de contenir la montée des eaux dans son lit mineur.

- Visent à augmenter la capacité maximale d'évacuation des eaux en période de crue, influent sur la vitesse d'écoulement de l'eau et réduit la surface inondable.

- Elles sont disposées longitudinalement par rapport au cours d’eau. C’est les plus anciennes structures de lutte contre les inondations.

Efficacité et impacts de ces ouvrages                              Réduction des dommages sur les biens et les personnes.

Impacts

- Isolement de la rivière par rapport à son lit majeur et diminution des échanges de matière, d'énergie et d'organismes.

- Création de conditions écologiques différents de part et d'autres de la digue.

- Diminution de l'alimentation en eau des nappes phréatiques du à l'évacuation trop rapide des eaux en aval.

- Problème de drainage des zones situées derrière les digues.

- Érosion accrue qui conduit à un effondrement des lignes d'eau en étiage et menace même des digues.

- Réduction de la diversité écologique.

- Modification de la végétation alluviale.

EXEMPLE D’UNE DIGUE PAR ENROCHEMENT DE LA BERGE

LUTTE CONTRE L’EROSION

L’érosion d’un cours d’eau se caractérise par une perte en sol des berges et du lit. Elle a pour conséquence de modifier la morphologie du cours d’eau et par conséquence de sa dynamique hydraulique.

Définition :

EROSION DES BERGES D’UN COURS D’EAU

La lutte systématique contre l’érosion dans les cours d’eau conduit inévitablement à la perturbation de sa dynamique.

La lutte par l’aménagement d’ouvrages lourds (enrochements, murs en béton, etc…) conduit le plus souvent au disfonctionnement hydraulique du cours d’eau.

En effet, ces aménagements contribuent à :

-L’augmentation de la vitesse du courant et de sa force érosive.

- La modification de la morphologie du cours d’eau.

- L’appauvrissement biologique de l’écosystème

LES TECHNIQUES D’AMENAGEMENT

1. TECHNIQUES DU GENIE VEGETALE

Les techniques végétales permettent de recréer des berges naturelles techniquement et biologiquement fonctionnelles en utilisant des végétaux vivants comme matériaux de consolidation.

Toutefois, leur utilisation nécessite une analyse préalable du processus d'érosion et la prise en compte de nombreux facteurs physico-chimiques, hydrauliques ou encore biologiques pour garantir leur efficacité.

Ces techniques nécessitent un entretien régulier tous les 3 à 5 ans, qui est bénéfique pour la végétation et qui peut être intégré dans le cadre d'un programme pluriannuel d'entretien de l'ensemble du cours d'eau.

– le tressage, qui est une protection du pied de berge, réalisé avec des branches de saules vivants entrelacées autour de pieux. C'est une technique qui résiste à de fortes contraintes hydrauliques ;

– la fascine est une protection du pied de berge réalisée avec des branches de saules vivants assemblées en fagots et fixées par des pieux ;

– le lit de branches est une protection de l'ensemble de la berge par couverture du sol avec des branchages de saules vivants. Elle nécessite beaucoup de matière première mais elle est recommandée lorsque les vitesses de courant et les forces d'érosion sont importantes ;

Quelques techniques du Génie Végétale :

– le peigne est une protection de l'ensemble de la berge par accumulation de végétaux grossiers (saules vivants ou autres) au pied de berge.

– le bouturage consiste à reproduire une plante à partir d'un segment de branche. C'est un procédé économique et simple qui permet d'obtenir rapidement la végétalisation des berges du cours d'eau.

Travaux au temps t

Une année plus tard

Deux ans après

La protection des berges par des techniques de génie civil est un procédé durable s'il est bien conçu et bien réalisé.

Cependant, son coût parfois élevé et son intégration paysagère souvent très difficile devraient amener à la réserver à la protection des zones urbaines.

2. TECHNIQUES DU GENIE CIVIL

Les techniques utilisées et qui offrent quelques possibilités d'habitats pour la faune et la flore sont :

– l'enrochement (blocs assemblés par du béton) qui peut être végétalisé pour en améliorer la tenue et l'aspect ;

– les matelas-gabions et gabions qui peuvent se végétaliser facilement et donc être plus discrets dans un paysage.

En revanche, les techniques utilisées et qui n'offrent aucune possibilité d'habitats sont :

– les murs (en pierre, moellons, béton…) qui doivent être réservés aux agglomérations ;

– les palplanches (feuilles de métal épais préformées emboîtables) qui doivent être réservées à des usages précis telles que la restauration de chaussées.

Berge subissant une érosion accrue

Stabilisation par matelats gabions

Stabilisation par enrochement

Stabilisation par palplanches

Palplanches Berge érodée

Travaux de mise en place des palplanches sur une berge

Stabilisation par mur en béton

Milieux naturels diversifiés

Echanges des eaux souterraines

Erosion naturelle du lit du cours d’eau

Enrochement des berges

Enfoncement du lit

Accélération des courants

Abaissement de la nappeAssèchement des frayèresMort de la forêt alluvialeDéveloppement d'une végétation banaleActivités polluantes ou vulnérables aux crues

LES ACTEURS DE L’AMENAGEMENT

Comment ?

Que doit-on protéger ?

Les berges et le lit du cours d’eau

Qui doit

protéger ?L’état, les collectivités locales, les riverains.

Que dit la loi ?Conformité par rapport aux textes de loi sur la protection de la ressource et de l’environnement

Par opérations ponctuelles, par vision globale.

Géométrie des canaux

Soit un canal de forme quelconque dans sa section transversale

h

P

A

B

Surface mouillée

Miroir ou largeur du canal à sa surface libre

Profondeur, hauteur normale

Périmètre mouillé

RAPPEL DE QUELQUES NOTIONS D’ECOULEMENT A SURFACE LIBRE (ESL)

h

profondeur ou hauteur d’eau. Pour un cours d’eau naturel, elle est définie là où le niveau du lit est le plus bas dans la section (thalweg : ligne des points bas du

cours d’eau)

Rayon hydraulique :P

AR h

Profondeur hydraulique :B

ADh

Vue longitudinale d’un canal

Surface libre

Q, débith, hauteur d’eau

So, pente du canal

CANAL PRISMATIQUE

Un canal est dit prismatique si sa section ne change pas et si sa pente longitudinale, la rugosité des ses parois (berges et lit) restent constantes.

La hauteur d’eau peut varier d’une section à une autre.

Cote piézométrique et charge

H, représente le niveau énergétique dans la section considérée

g2

V

gρ

PzH

2

g2

V21

gρ

Ph 1

1

Ligne de charge

Surface libre

Fond du canal

Niveau de référence

gρ

Ph 2

2

g2

V21

z1 z2

gρ

PzP*

J12

La perte de charge est donnée par :

2112 HHHΔJ

Elle est toujours positive si l’écoulement se fait de la section 1 vers la section 2

NOMBRE DE REYNOLDS

L’écoulement peut être LAMINAIRE, TRANSITOIRE ou TURBULENT.

RH : Rayon hydraulique

V : vitesse moyenne de l’écoulement

ν

VR4R H

E

On remarquera que dans les écoulements à surface libre c’est le RAYON HYDRAULIQUE qui joue le rôle de longueur caractéristique dans le calcul du Nombre de Reynolds

: viscosité cinématique

Re < 500 Ecoulement Laminaire

500 < Re < 2000

Ecoulement TurbulentRe > 2000

Ecoulement Transitoire

Dans la pratique, on ne rencontre que des

écoulements turbulents souvent rugueux

NOMBRE DE FROUDE

Le Nombre de Froude, noté Fr, représente l’effet des forces de gravité

hDg

VFr

V : vitesse moyenne de l’écoulement

Dh : profondeur hydraulique, Dh = A / B

IL permet de définir la nature d’un écoulement à surface libre

Fr < 1 Ecoulement fluvial

Fr = 1 Ecoulement critique

Fr > 1 Ecoulement torrentiel

REGIMES D’ECOULEMENT

UNIFORMEGRADUELLEMENT VARIE

BRUSQUEMENT VARIE

UNIFORME

CALCUL DU DEBIT

FORMULE DE MANNING - STRICKLER

ASRn

1Q 2

1

03

2

H

Avec :

n : coefficient de Manning, donné par les abaques

RH : sayon hydraulique

So : pente du fond du canal

A : surface mouillée du canal

Ecoulement Graduellement varié

1.La hauteur d’eau, la vitesse et la surface mouillée varie d’une section à l’autre

2. La ligne de charge, la surface libre et le fond du canal ne sont plus parallèles

DETERMINER LA FORME DE LA SURFACE LIBRE ET LA CALCULER

Représentation graphique

H, représente le niveau énergétique dans la section considérée

g2

V

gρ

PzH

2

g2

V21

gρ

Ph 1

1

Ligne de charge

Surface libre

Fond du canal

Niveau de référence

gρ

Ph 2

2

g2

V21

z1 z2

gρ

PzP*

J12

EQUATION GENERALE DE LA SURFACE LIBRE

A/BgQ/A

SRCQ/A

Sdx

dh H2

02

2

0

1

1

C : coefficient de Chézy

h : hauteur de la surface libre

x : position de la surface libre

Erosion et de transport solide

• Erosion hydrique et éolienne

• Transport en charriage et en suspension

00 Shg

Tension de frottements sur les parois d’un canal :

0H0 SRg

MODELISATION D’UN COURS D’EAU NATUREL PAR UTILISATION D’UN MODELE MONODIMENSIONNEL DE

CALCUL DES LIGNES D’EAU :

Modèle HEC-RAS

Hydrologic Engineering Centre – River Analysis System

Aménagement hydraulique d’un cours d’eau naturel

1. Introduction

• L’aménagement d’un cours d’eau doit prendre en considération ses caractéristiques géométriques et hydrauliques. Les conséquences de la mise en place d’un ouvrage hydraulique quelconque peuvent s’avérer très néfastes pour l’ouvrage lui-même, le cours d’eau et les riverains. Dans ce contexte, on propose des simulations du comportement hydraulique d’un cours d’eau naturel. Pour ce faire, on utilise le modèle hydraulique HEC-RAS (River Analysis System) et on fait varier les caractéristiques géométriques et hydrauliques du cours d’eau.

2. Etudes proposées

L’étude proposée concerne un cours d’eau naturel propre avec quelques herbes pierres et avec des rives en ligne droite.

Elle consiste à :

• Se familiariser avec les principales fonctions du logiciel HEC-RAS

• Réaliser les étapes d’une simulation du comportement hydraulique d’un cours d’eau en écoulement permanent (steady state flow).

• Montrer l’impact sur l’écoulement d’un ouvrage placé dans un cours d’eau (cas d’une digue latérale en béton).

• Faire une analyse de sensibilité des nivaux d’eau d’un cours d’eau.

• Faire une analyse de vulnérabilité du cours d’eau à l’érosion.

3. Méthodologie

Pour effectuer les différentes études proposées, il faut se munir :• Des notices d’utilisation qui présentent les principales fonctions de HEC-RAS. La

documentation détaillée du logiciel est disponible sur le site Internet de HEC (http://www.hec.usace.army.mil).

• Du profil longitudinal du cours• Des profils des sections transversales.• Du tableau des coefficients de Manning.

1ère partie : Simulation d’un cours d’eau naturel en écoulement permanent

Dans cette étude on va considérer un bras d’un cours d’eau naturel. Tout d’abord, on effectuera une simulation hydraulique sans présence d’obstacle. La simulation sera réalisée en utilisant le débit décennal (Q10), centennal (Q100) et millénial (Q1000) : Q10 = 3.8 m3/s Q100 = 8.7 m3/s Q1000 = 17.3 m3/s

Dans un souci de précision des calculs il est recommandé de prendre des distances inférieures ou égale à 50 m entre de sections transversales consécutives. Dans ce cas pensez à interpoler des sections fictives entre les sections données.

Les conditions aux limites considérées dans la simulation sont laissées à votre charge en justifiant vos choix.

2ème partie : Dimensionnement de la digue

Dans cette partie on va s’intéresser au cas du débit décennal Q10 = 3.8 m3/s• Après avoir créer le fichier Géométrie, identifiez les sections concernées par une

éventuelle submersion. Ajoutez la digue à l’intérieur du tronçon vulnérable de la rivière étudiée.

• Pour démarrer la simulation, fixer la hauteur de la digue à la hauteur maximale de la section transversale. Ajuster ensuite la hauteur en fonction de la hauteur d’eau maximale atteinte par le débit de projet retenu pour l’étude. Prévoyez une revanche de 0.5 m et analysez les conséquences sur le tronçon aménagé en particulier dans la zone de la digue.

3ème partie : Etude de sensibilité

On effectue une analyse de sensibilité des niveaux d’eau dans le cours d’eau dans les cas suivants :

• Cas 1: Le cours d’eau est laissé sans entretien.• Cas 2: Le cours d’eau est entretenu et sont état est maintenu propre• Cas 3: Le cours d’eau est complètement canalisé par du béton en bon état.

3ème partie : Etude de vulnérabilité

On effectue une étude de vulnérabilité du cours d’eau à l’érosion dans les 2 premiers cas précédents pour les 3 débits énoncés. Cette analyse se fera sous forme de commentaires des courbes de variation des tensions des frottements du lit et des parois du canal pour tous les débits étudiés.

3. Rapport

Le rapport à remettre aura la forme d’un document qui comprendra :

• Une page de garde• Un sommaire• Une introduction dans laquelle seront précisés les

objectifs du travail et présentant un bref rappel des principes essentiels d’hydraulique à surface libre et transport solide dans les cours d’eau et canaux.

• La partie technique doit présenter tous les résultats obtenus, les commentaires et les conditions utilisés pour les simulations.

• Une conclusion.• Des références et annexes

Analyse du milieu

(mise en évidence

de la modification

du cours d’eau)

Définitions des actions (choix de solutions)

Evaluation des enjeux

Jeux des acteurs

Quels sont les problèmes ?

Description technique de l’érosion

Quels sont les causes ?

Pourquoi il y a une modification du cours d’eau

Quels seront les impacts des différentes actions sur le milieu environnant