Traitements de données hydrologiques

Données hydrologiques

Introduction

L’étude hydrologique du bassin versant (cf. articles Modèles mathématiques en hydrauliques et en hydrologie dans ce traité et Mesures et hydrologie de surface dans le traité Mesures et Contrôle) permet de définir les apports moyens du cours d’eau , exprimés en hm3 /an ou en m³ /s, et leurs variations probables àune échelle de temps saisonnière ou interannuelle. Quel que soit le but de l’aménagement, il s’agit d’informations primordiales pour établir la faisabilité et déterminer le volume souhaitable du réservoir. Ces données sont entachées d’une incertitude d’autant plus grande que la région du futur ouvrage est peu développée.
Par ailleurs, l’étude hydrologique fournit également le volume et le débit maximal des crues très rares , qu’il faut considérer pour tous les ouvrages, même ceux n’ayant en principe aucun rôle de protection contre les crues : on impose généralement que le barrage une fois construit soit en mesure de supporter une crue ayant une période de récurrence de 10 000 ans (cela surtout pour les barrages en remblai qui ne peuvent supporter une submersion sans risque de ruine).
Par extension, l’étude hydrologique comprend également les informations sur le régime des transports solides de la rivière , dus àl’érosion des sols du bassin versant ; on évalue ainsi la rapidité de comblement de la « tranche morte  » du réservoir.

Données topographiques

Un site de barrage, au sens topographique, se place sur un verrou , resserrement de la vallée situé juste en aval d’une cuvette naturelle susceptible, une fois fermée, de constituer un réservoir de volume suffisant.
Une fois fixée approximativement la position envisagée pour le barrage, la cuvette est définie par un graphique sur lequel sont portés la surface et le volume en fonction de la cote du plan d’eau ; il servira àdéfinir la hauteur souhaitable du barrage (c’est-à-dire celle qui sera adoptée, sous réserve que toutes les autres conditions, notamment géotechniques, soient satisfaites).
La forme du site proprement dit influe sur le choix du type de barrage ; on peut réduire cette forme àdeux caractéristiques : la largeur relative (L /H ), qui varie en pratique de 1 à4, parfois plus ; et la forme en U (vallées glaciaires dans nos régions) ou en V.

Données géologiques et géotechniques

La constitution même d’une retenue d’eau requiert du massif dans lequel elle est située des propriétés minimales en matière d’étanchéité naturelle ; il serait en effet très coà»teux de généraliser l’étanchement artificiel àtout le fond du bassin, et de telles réalisations sont exceptionnelles.

Par ailleurs, chaque type de barrage requiert des propriétés mécaniques minimales spécifiques en matière de déformabilité et de résistance des appuis , lorsque ceux-ci sont soumis :
• aux forces appliquées directement par le barrage ;
• aux forces internes induites par la percolation de l’eau au sein de la fondation.
Tout projet de barrage commence donc par une étude géologique, géophysique et géotechnique (cf. article Géotechnique. Mécanique des sols et des roches dans ce traité) qui est progressivement affinée au fur et àmesure que le projet se développe et que les choix se précisent sur le type et la hauteur du barrage. Le géologue intervient en premier lieu pour expliquer la nature et la structure du site, mettre en évidence les principales incertitudes ; les reconnaissances géotechniques par sondages, galeries de reconnaissances, prélèvements, essais de laboratoire et essais in situ sont réalisées pour lever les inconnues.
Ces études aboutissent àla détermination de la nature des différentes formations (sols ou roches) présentes sur le site, leur extension géométrique, leurs propriétés en matière de perméabilité, déformabilité, résistance mécanique, altérabilité àl’eau ; les discontinuités (failles, fractures, diaclases, zones de dissolution ou karsts) sont recherchées avec le plus grand soin.

Conditions générales d’environnement

D’autres natures de données, moins importantes dans la mesure où elles n’influent que rarement sur la faisabilité d’un barrage, sont toutefois indispensables pour mener le projet àson terme : citons notamment les conditions climatiques (températures extrêmes, gel), qui constituent des sollicitations supplémentaires du futur ouvrage, les propriétés chimiques de l’eau , parfois agressive vis-à-vis de certains matériaux notamment le béton, la disponibilité de matériaux de construction de qualité àproximité, les accès , etc.  »

Les différents barrages :

« Le barrage poids est l’un des types les plus anciens et il en existe un grand nombre dans les pays industrialisés. Construits en maçonnerie jusqu’au XIX^e siècle, puis en béton au début du XX^e ils ont connu une certaine désaffection en raison de leur volume et de leur coà»t relatif, jusqu’au développement récent de la technique du béton compacté au rouleau (BCR) qui leur a donné une nouvelle jeunesse depuis 1980). Par ailleurs, ils présentent, quel que soit leur mode de construction, une solution attrayante lorsqu’il faut intégrer au barrage des structures relativement importantes, comme une usine hydroélectrique, un gros évacuateur de crues, une écluse, etc. À noter que la quasi-totalité des barrages de basse chute qui équipent les grands fleuves européens sont des barrages de type poids.
Les problèmes potentiels sont de trois ordres : déformabilité, résistance, étanchéité.
Si le sol est trop déformable , les tassements sous le poids de l’ouvrage et ensuite les mouvements sous la poussée horizontale seront difficilement supportés par la structure monolithique d’un barrage poids, même équipé de joints, d’où un risque de fissures anarchiques ; cela exclut pratiquement les fondations non rocheuses, voire même les roches faibles (craies, marnes), sauf cas d’ouvrages modestes. De même, une forte inclinaison des poussées n’est pas acceptable par des fondations non rocheuses ; lorsqu’on ne peut pas faire autrement (barrages en rivière sur dépôts sableux, par exemple), il est nécessaire de dimensionner très largement le barrage en vue de réduire les inclinaisons des forces et, par ailleurs, de renforcer le massif d’appui par des caissonnements de parois moulées ou palplanches.
En matière d’étanchéité , il s’agit d’une part de réduire les fuites en fondations susceptibles de diminuer la rentabilité de l’aménagement, mais surtout de réduire autant que possible le risque de sous-pressions déstabilisatrices.

Un barrage voà»te est une structure dont la forme est dessinée de façon àtransmettre les efforts de poussée de la retenue vers les rives. Dans un schéma simplifié, c’est une superposition d’arcs horizontaux chargés chacun àleur extrados par la pression p correspondant àleur profondeur… Les barrages voà»tes trouvent leur place idéale dans les sites relativement étroits (ratio largeur en crête/hauteur inférieur à4), lorsque la qualité des fondations est excellente, surtout sur les rives. Aujourd’hui, ils sont souvent préférés àtous les autres types pour les sites de grande hauteur.
La structure de type voà»te a été incorporée dans des ouvrages plus complexes conçus pour répondre àdes conditions topographiques particulières. Lorsque la partie haute des rives se révèle, d’un point de vue topographique ou géotechnique, un peu juste, on réalise une ou deux culées : il s’agit de massifs pesants, sortes de barrages poids aptes àsupporter une partie de la poussée de la voà»te, en plus de la poussée directe de l’eau de la retenue ; on peut aussi associer une voà»te avec une aile àcontreforts, comme au barrage de Roselend (France). Le cas extrême est constitué par le barrage àvoà»tes multiples : il s’agit d’une juxtaposition de contreforts, sur la face amont desquels s’appuient des voà»tes indépendantes les unes des autres ; de tels ouvrages, qui ont quelque similitude avec les barrages àcontreforts, s’accommodent bien de vallées larges ; il faut souligner toutefois que leur comportement complexe est fortement affecté par les conditions extérieures – climatiques et sismiques notamment ; cela explique en partie la désaffection dont ils sont l’objet.

Par souci de clarté, l’essentiel de ce paragraphe concerne les barrages en terre , qui constituent l’archétype des barrages en remblai et dans lesquels les deux fonctions : étanchéité, d’une part, et résistance àla poussée de l’eau, d’autre part, sont assurées par des matériaux naturels de type « sol  » judicieusement organisés.
Les barrages en remblai de terre ont la grande qualité de s’accommoder de fondations meubles qui seraient incapables de supporter un ouvrage en béton ; cela permet d’équiper les sites dont le fond de vallée est garni, éventuellement sur de fortes épaisseurs (100 m ou plus), d’alluvions ou de roches décomposées, déformables et plus ou moins perméables. En première approche, une bonne règle générale est que la fondation d’un barrage doit disposer des propriétés, naturelles ou obtenues par traitement, au moins équivalentes àcelles du corps du barrage qu’elles doivent recevoir. Ils constituent donc une bonne solution lorsque des matériaux de qualité convenable sont disponibles àproximité immédiate. Leur défaut essentiel est une très grande vulnérabilité au déversement par-dessus leur crête, la ruine survenant très rapidement par érosion superficielle et interne de leur partie aval. Il convient donc de dimensionner très largement les organes de protection contre les crues qui leur sont associés, et d’être très prudents lorsqu’on n’est pas sà»r des données hydrologiques en matière de crues.  »

Pour en savoir plus

• Les barrages
• Les barrages : conception et maintenance
• La conception des barrages : conférence également accessible sur Internet
• Les barrages-réservoirs en France
• Constructions hydrauliques
• Barrages des Alpes