projet d'un barrage
Description
Projet Aménagement du site Yann Peltier (N7), José Valencia Macias (N7) Plan • 1. Introduction • 2. Choix du barrage sur critères mécaniques o 2.1. Géologie du site de Charlas o 2.2. Choix du type de barrage o 2.3. Forme du barrage • 3. Etude des infiltrations et de la stabilité du talus aval du barrage o 3.1. Cas de la digue seule sur fondations imperméables 3.1.1. Calcul de la stabilité de la digue sans eau 3.1.2. Ligne de saturation 3.1.3. Renard et pression interstitielle 3.1.4. Calcul de la stabilité pour la digue mise en eau 3.1.5. Débit de fuite o 3.2. Cas de la digue avec un noyau, sur fondations imperméables 3.2.1. Ligne de saturation 3.2.2. Pressions interstitielles 3.2.3. Calcul de la stabilité de la digue avec noyau 3.2.4. Débit de fuite o 3.3. Cas de la digue complète sur fondations imperméables 3.3.1. Filtre incliné à 60° collé au noyau + drain horizonta l 3.3.2. Stabilité avec drain et filtre • 4. Conclusion • 5. Bibliographie • 6. Annexes o 6.1. Méthode de Kozeny o 6.2. Débit de fuite o 6.3. Pressions interstitielles et Renards o 6.4. Méthode de Bishop 1. Introduction Dans le cadre du BEI énergie renouvelable et environnement, notre binôme a la charge de l’étude de la digue de terre et plus précisément des infiltrations et de la stabilité des talus.
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| Publié par | Rahil.Hadjer |
| Publié le | 05 novembre 2012 |
| Nombre de lectures | 401 |
| Langue | Français |
Extrait
Projet
Aménagement du site
Yann Peltier (N7), José Valencia Macias (N7)
nalP
·
1. Introduction
·
2. Choix du barrage sur critères mécaniques
o
2.1. Géologie du site de Charlas
o
2.2. Choix du type de barrage
o
2.3. Forme du barrage
·
3. Etude des infiltrations et de la stabilité du talus aval du barrage
o
3.1. Cas de la digue seule sur fondations imperméables
3.1.1. Calcul de la stabilité de la digue sans eau
3.1.2. Ligne de saturation
3.1.3. Renard et pression interstitielle
3.1.4. Calcul de la stabilité pour la digue mise en eau
3.1.5. Débit de fuite
o
3.2. Cas de la digue avec un noyau, sur fondations imperméables
3.2.1. Ligne de saturation
3.2.2. Pressions interstitielles
3.2.3. Calcul de la stabilité de la digue avec noyau
3.2.4. Débit de fuite
o
3.3. Cas de la digue complète sur fondations imperméables
3.3.1. Filtre incliné à 60° collé au noyau + drain horizonta l
3.3.2. Stabilité avec drain et filtre
·
4. Conclusion
·
5. Bibliographie
·
6. Annexes
o
6.1. Méthode de Kozeny
o
6.2. Débit de fuite
o
6.3. Pressions interstitielles et Renards
o
6.4. Méthode de Bishop
1. Introduction
Dans le cadre du BEI
énergie renouvelable et environnement
, notre binôme a la charge de l’étude de
la digue de terre et plus précisément des infiltrations et de la stabilité des talus.
L’objectif de notre étude peut être décomposé en trois parties :
·
Modéliser les infiltrations et déterminer les pertes d’eau du réservoir
·
Vérifier que la stabilité du barrage n’est pas mise en danger par les infiltrations
·
Prouver la nécessité d’utiliser un bon système de drainage
Dans la suite de cet exposé, nous vous proposerons de suivre notre travail sur la partie conception du
barrage :
infiltrations et stabilité.
gNéonuésr acleo mdmu ebnacrerraognes. pPauris pnaorluesr deex ploas eprhoansse nmotérec atnriaqvuaeil dseusr l’sionlfislt rqautiio an pete rlam isst adbeil itcér.é eEr nlfian fonromuse
conclurons sur notre travail.
Retour au plan.
2. Choix du barrage sur critères mécaniques
Après l’étude de divers sites d’implantation de barrages pouvant aider à soutenir les étiages de la
Garonne et aidant à remplir le réseau Gascogne en été, il a été décrété que Charlas était le site
optimal pour remplir ces objectifs. Ce site est situé sur la Nère, affluent rive gauche de la Louge, à 14
km au nord de Saint-Gaudens.
Les caractéristiques morphologiques de la zone permettent la construction d’un barrage haut d’une
cinquantaine de mètres, créant une retenue d’eau de 110 hm3 s’étendant sur environ 550 ha. En
outre l’avantage majeur de ce site, avantage que l’on ne retrouve pas sur les autres sites potentiels,
c’est son altitude qui autorise que tous les échanges entre le réseau Neste, Charlas, la Garonne et la
Gascogne se fassent de manière gravitaire. Ce sont des économies non négligeables dans la gestion
de tels projets : les pompes et leur entretien seront inutiles.
2.1. Géologie du site de Charlas
Une fois que Charlas a été désigné, les projeteurs de barrages ont effectué différentes mesures dans
les sols. Leur but était de connaître leur nature et de localiser la présence d’aquifères.
Ces mesures sont fondamentales. En effet, la bonne connaissance de la pédologie et de la géologie
d’une zone détermine la forme et le genre de barrage que l’on peut construire.
Les résultats de l’étude géologique montrent que le site du barrage se trouve sur la zone de dépôts de
molasses du Bassin Aquitain. Cette zone correspond à une vaste cuvette dans laquelle sont déposés
des sédiments à dominante argileuse provenant de l’érosion de la chaîne pyrénéenne naissante
(Eocène, Miocène). On trouve ainsi sur la zone du barrage et sur la cuvette une épaisseur de
matériaux à dominante argileuse d’au moins 200 m d’épaisseur, avant d’atteindre les formations
calcaires sous-jacentes (Secondaire). Dans le détail, les formations molassiques rencontrées
comprennent essentiellement :
·
des niveaux argileux plutôt meubles
·
des niveaux marneux plus indurés
·
accessoirement des petits horizons calcaires et des couches à dominante détritique tels que
des sables et des graviers
La présence de ces formations molassiques assure à la cuvette
une imperméabilité en grand
; au
droit du site,
l’imperméabilité des fondations est également assurée de façon naturelle
.
Cependant la présence de quelques horizons à dominantes sablo-graveleuse sous le barrage
imposera de prévoir des dispositifs de drainage pour réduire les risques de sous-pressions dans les
fondation de la partie aval du barrage.
En ce qui concerne la sismologie de la zone, les risques sont minimes.
2.2. Choix du type de barrage
Une fois la géologie de la zone bien connue, on peut passer au choix du type de barrage à mettre en
œuvre.
Si les formations molassiques permettent une imperméabilité de fondations, elles ne permettent
absolument pas l’édification d’un barrage « rigide » en béton. On ne peut pas considérer les molasses
comme étant un substratum rocheux franc compte tenu de leur nature calcaire. Les remblais du
barrage de Charlas ne peuvent être fait qu’en « terres souples ». Une étude de la cuvette de
construction montre que l’on peut espérer prospecter plus de 30 millions de mètres cubes de
matériaux meubles : à 75% des argiles limoneuses le reste étant constitué de sables et de graviers.
Cette quantité de matériaux disponibles est amplement suffisant compte tenu de la première
estimation du volume du barrage : 7 ou 8 millions de mètres cubes de terres. La présence d’une
quantité suffisante de matière première sur le chantier permet de réduire les coûts de construction.
: BN
La nature des remblais est bien connue, car différentes mesures sur les autres digues du système
Gascogne ont montré que les matériaux à Charlas sont identiques en tout point aux leurs. Cette
bonne connaissance des matériaux nous sera très utile pour la partie stabilité de notre étude.
2.3. Forme du barrage
Une fois que le type de barrage a été défini, il convient de dimensionner le barrage sur des critères
purement mécanique (mécanique des sols). Ce dimensionnement défini la forme générale du barrage.
Les études survenant par la suite serviront à observer le comportement du barrage en eau et
permettrons une optimisation des divers systèmes intégrés aux remblais. L’objectif principal des
études suivantes est de conserver une stabilité aussi bonne que celle du barrage sans eau.
La nature des remblais utilisés dicte la forme du barrage.
Au vu de l’homogénéité géologique globale constaté et de la nature des sols, la solution d’un barrage
« souple » à pentes modérées en argile compactée a été retenue.
La présence d’un noyau d’argile compact imperméable en son centre sera dicté par les études
ultérieures d’infiltrations.
Le profil extérieur et les autres caractéristiques de la digue telles qu’ils ressortent des premiers
dimensionnements et vérifications des conditions de stabilité sont les suivant :
TypeDigue de terre
Terrain de fondationArgile consolidée et marnes
Nature du remblaiArgiles
Hauteur51 m
Longueur crête1150 m
Largeur crête10 m
Largeur max au sol440 m
Fruit moyen amont4,3 H / 1 V avec 3 risbermes de 10 m de large
Fruit moyen aval3,9 H / 1 V avec 2 risbermes de 10 m de large
Altitude crête382 m NGF
Altitude crête déversoir380 m NGF
Volume du corps du barrage8 000 000 m3
Tableau 1 : descriptif de la digue de Charlas (Source : CACG)
Fig.1 : géométrie du barrage (source : CACG)
L’ouvrage prévu (fig.1) est une
digue de terre pseudo-homogène
, en matériaux argileux
sur
fondations imperméables.
La mise en eau du barrage va entraîner la nécessiter d’installer un
noyau d’argile imperméable et des systèmes drainant pour éviter les pertes de stabilité.
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3. Etude des infiltrations et de la stabilité du talus aval du barrage
Une fois que le profil général du barrage a été établi sur des critères mécaniques, il convient alors de
procéder à une étude des infiltrations d’eau dans l’ouvrage et dans ses fondations. Ces infiltrations
conditionnent la stabilité et le redimensionnement du barrage en cours de travaux.
Dans le cas de notre étude, nous avons sélectionné un profil critique ; ce profil est celui de la zone où
la hauteur d’eau est la plus importante. C’est en effet dans ces zones que les risques de pertes de
stabilité sont les plus importants.
Aussi faible que soit la perméabilité de notre barrage en terre (~1e-8 m/s), il y a toujours infiltrations
d’eau. Il faut être capable des les déterminer pour pouvoir les combattre.
L’étude des infiltrations consiste essentiellement en la détermination des équipotentielles et des lignes
de courant qui permettent ensuite de trouver les éléments suivants :
·
La ligne de saturation du massif du barrage, qui est en pratique confondue avec la ligne le
long de laquelle la pression hydrostatique de l’eau au sein du massif est nulle. Cette dernière
est appelée ligne phréatique et représente le niveau de la surface libre dans le corps du
barrage ou plus exactement elle représente la limite entre la partie sèche/humide et la partie
saturée d’eau du barrage. La bonne connaissance de cette ligne est capitale pour pouvoir
effectuer les calculs de stabilité de la digue.
·
La pression de l’eau interstitielle
dans le massif, qui peut être déterminée à partir d’un
réseau de lignes équipotentielles, c'est-à-dire de lignes reliant les points d’égal potentiel
hydraulique au sein du barrage et des fondations. Une augmentation de cette pression peut
être dangereuse pour la stabilité, elle peut être notamment la cause d’apparition de renards
dans la partie amont du barrage.
·
Le débit de fuite
dû aux infiltrations, qui peut s’obtenir à partir du réseau de lignes de
courant, orthogonales aux équipotentielles. Ces lignes de courant représentent théoriquement
la trajectoire de l’eau à travers le barrage. Si ce débit est trop important, le barrage ne fait pas
son office, il faut alors augmenter la taille des parties imperméables du corps de digue.
La connaissance des débits permet aussi de dimensionner les systèmes drainant du barrage.
La détermination de ces trois paramètres se fait de diverses manières plus ou moins compliquées
selon le besoin. On peut soit faire des résolutions analytiques complètes, soit des simulations
numériques, ou soit utiliser des méthodes simplifiées telles que la méthode de
Kozeny
qui utilise des
approximations et des propriétés graphiques du réseau d’écoulement.
Pour optimiser la forme d’un barrage, la simple connaissance des infiltrations ne suffit pas, il faut
ajouter une étude de stabilité qui permet de dire si les systèmes choisis pour lutter contre les
infiltrations sont suffisants et ne détériorent pas la stabilité.
L’étude de la stabilité d’un barrage de terre est celle de la stabilité de ses talus amont et aval sur la
fondation. La stabilité est calculée en régime permanent pour le talus aval et à en régime transitoire (à
la vidange) pour le talus amont.
Il n’existe pas de méthode globale pour calculer la stabilité d’un ouvrage de cette ampleur. Nous
sommes obligé de faire quelques hypothèses pour y parvenir. Pour arriver à un résultat, on est obligé
de se donner la forme de la surface de rupture au contact de laquelle il peut y avoir glissement. On
prend en général une surface cylindrique circulaire à axe horizontal, qui apparaît comme un cercle
appelé « cercle de glissement » dans une coupe verticale de la digue.
Le but principal de ce calcul : c’est trouver le cercle critique de glissement.
(cf. annexe 6.4)
qui
nous donnera alors le coefficient de sécurité minimal de la construction ; il faut que ce coefficient ne
soit pas inférieur à 1,5 pour le talus aval.
Il existe plusieurs méthodes de calculs suivant la nature des hypothèses faites sur les interactions
entre tranches et sur la pression interstitielle. La méthode la plus couramment utilisée est la méthode
de
Bishop
.
Dans toute la suite de ce document, nous vous présentons notre travail dans le cas stationnaire :
réservoir rempli. (Etude uniquement du talus aval)
Pour les infiltrations du talus aval, nous avons choisi de travailler avec la méthode de Kozeny pour
déterminer la ligne de saturation du barrage. Nous avons par ailleurs ajouté une simulation numérique
pour améliorer les résultats des débits de fuites. Nous avons utilisé le logiciel BIGFLOW en
écoulement 3D saturé.
Pour la stabilité, nous avons appliqué la méthode de Bishop et nous avons utilisé le logiciel STB2006
(logiciel gratuit pour étudiants) pour calculer les coefficients de sécurité de notre ouvrage.
Retour au plan.
3.1. Cas de la digue seule sur fondations imperméables
3.1.1. Calcul de la stabilité de la digue sans eau
Dans ce premier calcul, nous déterminons la valeur minimale du coefficient de sécurité du talus aval
du barrage. Cette valeur doit être supérieur à 1,5.
Cette étude se fait dans le cas « sans eau », le coefficient ne tiendra donc compte que des propriétés
mécaniques du barrage ; on considèrera que ce coefficient est la valeur à atteindre pour toutes les
études suivantes.
Les propriétés mécaniques des matériaux du barrage sont résumées dans le tableau suivant :
: BN
Une fois que nous avons calculé la stabilité « à vide », il faut être capable de dire si le barrage mis en
eau résistera. Il faut donc refaire des nouveaux calculs de stabilités qui prennent en compte l’eau
infiltrée dans le barrage.
Pour appliquer la méthode de Bishop, nous avons du rechercher des données supplémentaires sur
les matériaux du talus.
Tableau 3 : différentes valeurs utilisées dans STB006 pour calculer la stabilité
Après plusieurs essais/itérations on trouve un cercle de glissement dans la zone aval où F la sécurité
est minimale. Le coefficient du barrage est de 2.13, (cf. fig.2)
Fig.2 : résultats sous STB2006 pour la stabilité du talus du barrage à vide
D’après la théorie, ce coefficient doit être supérieur à 1,5 ; les résultats sont donc bon : notre barrage
est stable.
3.1.2. Ligne de saturation
Ce premier calcul est effectué dans la digue seule, il doit permettre de trouver la ligne de saturation
dans le barrage ; à partir de cette ligne, nous serons alors en mesure de refaire des calculs de
stabilités dans le cas « barrage en eau ».
Toutes les données nécessaires pour le calcul sont représentées sur la figure 3.
Fig. 3 : schémas utilisé pour la méthode de Kozeny pour déterminer la ligne de saturation.
Il n’y a aucun système de drainage et pas de système d’étanchéité. Les fondations sont
imperméables.
a représente la distance entre l’origine de la parabole et son foyer
d = 300 m
h = 49 m
·
Parabole de Kozeny
Dans ce paragraphe nous calculons la parabole de base définie en
annexe 6.1
. Pour cela, il faut
calculer Y0 :
Ensuite, on injecte Y0 dans l’équation de Kozeny et on trouve la parabole suivante :
·
Equations de la ligne de saturation
Une fois que l’on connaît l’équation de Kozeny, il faut ensuite déterminer tous les points de la figure 3.
On connaît déjà :
·
A (290,55 ; 49)
·
B (226,50 ; 49)
·
C (130 ; 32,5), il représente l’intersection de la parabole avec le talus aval du barrage.
Pour déterminer D, il faut suivre trois étapes :
1. Trouver l’angle du talus
Le fruit du parement aval vaut 3,9H/1V donc
2. Calculer la distance OD
3. Projeter OD sur l’axe des X
:
Connaissant l’abscisse de D, on cherche son ordonnée sur le barrage. D (73,42 ; 18,36).
Maintenant que nous connaissons tous les points nécessaires, nous pouvons faire une interpolation
pour trouver l’équation de la ligne de saturation. On obtient alors :
Tableau 3 : Paraboles de saturation de la digue
Fig.4 : Tracé de la parabole de Kozeny entre B et D
Après avoir tracé la surface de saturation interpolée à l’aide de la parabole de Kozeny sur la figure 4,
on constate que le point de résurgence de l’eau du réservoir est sur la pente aval du barrage. Il y a
donc de l’eau qui fuit. Cette situation n’est pas acceptable, car cette eau met en danger l’intégrité du
barrage en allant si loin ; il faudrait limiter l’eau un peu avant le centre du barrage (question de stabilité
de talus). On va donc installer un noyau d’argile imperméable qui servira d’organe d’étanchéité entre
l’amont et l’aval.
3.1.3. Renard et pression interstitielle
La théorie est résumée en
annexe 6.2
et
6.3.
Les pressions interstitielles sont importantes, car le barrage est totalement en eau. Le point de
résurgence à l’aval est à la hauteur 4m ; la pression en pascale/m3 est déterminée en tout point par la
formule suivante :
z est la côte du point considéré et H est donnée par la parabole interpolée de Kozeny. Sur la ligne de
saturation z = H.
Les risques de renards et de glissements sont importants, compte tenu de la quantité d’eau présente
dans la structure du barrage. Il faut absolument retirer l’eau dans la partie aval du barrage, pour éviter
tous risques de glissements.
La diminution, voire la neutralisation des risques de glissements ne peut se faire qu’en prenant deux
mesures de sécurité pour contrer les infiltrations :
·
Etanchéifier l’aval de l’amont en plaçant un noyau au centre du barrage sous la crête : si la
construction est parfaite, il n’y aura plus aucune infiltration dans la partie en aval. Si ce n’est
pas le cas, la nature compacte du noyau diminuera les infiltrations.
·
Drainer les éventuelles infiltrations dans le barrage à l’aide de filtres et drains à granulométrie
élevée et perméabilité 1000 fois supérieure à celle de l’argile.
Les risques de Renards à l’amont sont quant à diminués en plaçant un tapis drainant dans la partie
amont du barrage, puisque c’est surtout dans cette zone que les risques sont les plus grands.
3.1.4. Calcul de la stabilité pour la digue mise en eau
En rentrant la nouvelle ligne de saturation dans le logiciel, les pressions interstitielles sont directement
calculées par le biais de la formule :
Les matériaux n’ayant pas changés lors de la mise en eau, nous pouvons récupérer notre modèle
STB2006 et lui ajouter simplement la ligne de saturation. La nouvelle simulation donne le résultat
suivant :
On trouve une valeur de F de 1.22 (cf. fig.5) qui est inférieure à la valeur que nous avions trouvée
précédemment. La stabilité de notre barrage n’est pas suffisante quand l’eau est dans la structure.
Il faut donc ajouter un élément supplémentaire dans le barrage pour empêcher l’eau d’aller dans le
talus.
Fig.5 : Coefficient de sécurité dans le cas barrage sans noyau
3.1.5. Débit de fuite
Les débits de fuite nous permettent de vérifier que le réservoir ne perd pas trop d’eau dans son
barrage.
Connaissant la position du point de résurgence de la nappe dans le barrage, on peut facilement
calculer le débit unitaire de fuite du barrage suivant la formule suivante :
Ce débit est un débit par unité de longueur de barrage, on trouve :
avec K = 1e-8 m/s pour la perméabilité du barrage
Si on multiplie ce résultat par la longueur du barrage, on trouve que l’on perd 4,4e-5 m
3
/s, soit sur 8
mois de stockage : 906 m
3
Cette perte n’est pas énorme, mais il faut tout de même la récupérer en
sortie de barrage, pour éviter la création de ravines d’écoulement qui à la longue pourraient
endommager le terrain à l’aval du barrage.
Retour au plan.
3.2. Cas de la digue avec un noyau, sur fondations imperméables
Dans ce second calcul on rajoute à la digue un noyau d’argile pseudo imperméable. Il n’y a aucun
système de drainage. Le noyau a été dimensionné suivant le fait que son épaisseur moyenne doit être
égale au 1/6 de la hauteur totale du barrage :
Les fruits de talus du noyau sont 0,5H/1V pour l’aval et 1,5H/1V pour l’amont.
Ce calcul va surtout nous permettre de connaître le point de résurgence de l’eau dans le noyau. Une
fois la hauteur de résurgence connue, nous pourrons dimensionner nos filtres et nos drains pour
rabaisser la ligne de saturation vers le fond de la digue.
Fig. 6 : Données nécessaire pour trouver la parabole de Kozeny
Sur cette figure A est très proche de B.
ATTENTION : l’origine du repère est au pied du parement aval du noyau.
d = 38,5 m
h = 49 m
3.2.1. Ligne de saturation
·
Parabole de Kozeny dans le noyau (cf. fig.6)
Calculons d’abord Y0 :
Injectons Y0 dans l’équation de Kozeny. On trouve alors la parabole suivante :
·
Equations de la ligne de saturation dans le noyau
Une fois que l’on connaît l’équation de Kozeny, il faut ensuite déterminer tous les points de la figure 6.
On connaît déjà :
·
A = (38,5 ; 49)
·
B = (32 ; 49)
·
C (19,5 ; 39), il représente l’intersection de la parabole avec le talus aval du noyau.
Pour déterminer D, on suit toujours trois étapes :
1. Trouver l’angle du talus :
Le fruit du parement aval vaut 0,5H/1V donc
2. Calculer la distance OD
3. Projeter OD sur l’axe des X
Connaissant l’abscisse de D, on cherche son ordonnée sur le barrage. D (18,1 ; 36,2).
Maintenant que nous connaissons tous les points nécessaires, nous pouvons faire une interpolation
pour trouver l’équation de la ligne de saturation dans le noyau. On obtient alors :
La nouvelle ligne de saturation est représentée sur la figure 7.
Fig.7 : Ligne de saturation dans le noyau
·
Ligne de saturation en aval du noyau
La méthode de Kozeny n’est pas claire pour trouver la suite de la ligne de saturation. Il semble qu’une
fois sortie du noyau, l’eau ruisselle un temps sur le noyau, puis elle forme une surface à la côte Y0/2 =
11,9 jusqu’à la sortie du barrage (cf. fig.8).
Fig.8 : ligne de saturation en sortie du noyau.
Cette ligne est une représentation approximative de la réalité, mais est suffisante pour notre étude.
Notre but n’est pas de dire que le noyau suffit. Quoi qu’il arrive après en sortie de noyau, la
construction de drains est obligatoire sur chaque face. Ces filtres permettent de garder l’intégrité du
noyau en interdisant le lessivage des matériaux.
3.2.2. Pressions interstitielles
Comme précédemment les pressions interstitielles sont encore importantes puisque la partie amont
du barrage est totalement en eau. Le seul moyen de lutter contre ces pressions, c’est de poser un
filtre et un drain dans le fond du barrage.
3.2.3. Calcul de la stabilité de la digue avec noyau
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