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Mise à jour le 31.05.2003 HU 0205 - Page 1 ENAC/ISTE/HYDRAM HYDROTHEQUE : base

Mise à jour le 31.05.2003 HU 0205 - Page 1 ENAC/ISTE/HYDRAM HYDROTHEQUE : base de données d’exercices en Hydrologie Cours : Hydrologie Urbaine / Thématique : Dimensionnement et diagnostic réseau ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE Logo optimisé par J.-D.Bonjour, SI-DGR 13.4.93 Exercice n° HU 0205 - Corrigé Pré-dimensionnement d’un réseau d’assainissement à l’aide de la formule rationnelle – Application à la ville de Thun (Be, Suisse). Données de l’exercice : L’exercice porte sur le dimensionnement préliminaire de canalisations dont la configuration et les caractéristiques sont regroupées dans la figure 1 et le tableau 2 de l’énoncé. Les indications supplémentaires nécessaires à la réalisation de cet exercice se trouvent aussi dans l’énoncé (annexes 1 à 5). Ces données sont aussi regroupées dans un fichier Excel « HU0205_feuilledecalcul.xls ». Les résultats sont disponibles sur le fichier Excel « HU0205_corrige.xls ». Question 1. Calcul du diamètre des conduites 1.0, 1.1 et 2.0 Méthode à appliquer : Le débit de dimensionnement dépend (entres autres choses) de l’intensité moyenne maximale de la pluie critique pour le bassin étudié, qui dépend du temps de concentration du bassin, qui dépend de la vitesse d’écoulement dans la conduite qui dépend du diamètre de la conduite qui dépend du débit de dimensionnement…. Il n’y a donc pas de solution explicite au problème. On le résout itérativement : on se fixe un diamètre de collecteur a priori et on vérifie a postiori si les conditions de dimensionnement sont respectées (débit de temps de pluie pour la période de retour de dimensionnement / débit nominal, vitesse de temps sec et vitesse de temps de pluie….) et ensuite on adapte éventuellement le diamètre pour obtenir un dimensionnement plus approprié. Résultats : 1/ Etapes de dimensionnement de la conduite 1.0 Après la délimitation des bassins et sous bassins et le calcul de leurs caractéristiques (pente, superficie, coefficient de ruissellement), le dimensionnement de la conduite pour un sous bassin donné passe par les étapes ci-dessous : Etape 1 : détermination (éventuellement choix – cf dernier point) de l’origine des ruissellements. Pour le bassin 1.0, aucune ambiguïté : origine = bassin 1.0. Etape 2 : choix d’un diamètre, calcul de la vitesse nominale VN et du débit nominal QN de l’écoulement (i.e. lorsque l’écoulement utilise l’entier de la section) : I D K VN 3 / 2 4 .       = I D K D QN 3 / 2 2 4 . 4 .       =π • Unités des grandeurs dans les formules ci-dessus : VN en m/s – I en m/m - D en m – K en USI – QN en m3/s • Tuyaux utilisés dans le corrigé : tuyaux en PVC à bétonner Critères utilisés pour la conception d’un réseau : techniques (hydraulique) / économique (coût) / construction (béton = lourd d’où coût de déplacement élevé et taille des éléments limitée d’où beaucoup de raccords // tuyaux en PVC préférés) • Diamètre utile de la conduite D = De – 2.e • Coefficient de Strickler pour le PVC : 80 à 100 m1/3/s Pour du prédimensionnement, il est souhaitable de prendre en compte les conditions Mise à jour le 31.05.2003 HU 0205 - Page 2 d’écoulement futures : vieillissement du matériau des canalisations (K diminue) et sédimentation d’où réduction de la surface d’écoulement : à cet effet, on prendra un coefficient de rugosité dans la gamme inférieure des coefficients proposés (K=90 dans le corrigé) ; Etape 3 : calcul du temps d’acheminement ta du débit de pointe dans la canalisation ainsi que le temps de concentration tc du bassin : tc = ta + ti • ti est le temps mis par la pluie entre le moment où elle arrive au sol et son introduction dans la canalisation ; par simplicité il est supposé constant dans le temps et l’espace et égal à 5 minutes, • le temps d’acheminement est calculé avec l’hypothèse pour chaque conduite que la vitesse de l’écoulement est la vitesse nominale VN pour la dite conduite; • le temps d’achemimement dépend de l’origine choisie pour les ruissellements : il est généralement la somme de plusieurs temps d’acheminement correspondant à des conduites successives (cas pour le bassin 1.2), Etape 4 : calcul de l’intensité moyenne maximale i(tc,T) pour une pluie de durée égale au temps de concentration tc, de la surface réduite totale (somme des surfaces réduites des différents bassins ou sous bassins contributifs) et du débit de ruissellement QR, • intensité moyenne maximale : i(tc,T) = a(T)/(b+tc) • surface réduite : AR,i=Cr.Ai • surface réduite totale (ou active totale) : AR,tot = ∑AR,i • débit de ruissellement QR = QR (tc,T)= AR,tot . i(tc,T) Etape 5 : calcul du débit « temps de pluie » QTP • il n’y a aucune indication concernant une limitation du débit à l’aval du bassin 1.0 (pas de déversoir d’orage); par suite le débit de temps de pluie utilisé pour le dimensionnement de la conduite est simplement la somme du débit de ruissellement et du débit de temps sec (idem pour les autres bassins) : • QTP = QECP + QEU + QR • Avec QEU = q.∑Pi (Pi : population du sous bassin i) • Avec QECP = ∑ QECP,i (QECP,i : débit d’eaux claires parasites du sous bassin i) • Attention : pour une conduite donnée, contrairement au débit de ruissellement, les débits Eaux Usées et Eaux Claires Parasites ne dépendent pas de l’origine des ruissellements choisie (cf. point 1.) : pour ces deux derniers débits il faut prendre en compte tous les bassins contributifs amont. Etape 6 : calcul du rapport entre les débits « temps de pluie » et nominal de la canalisation ; s’il est supérieur à l’unité, il est nécessaire de reprendre les points 2 à 6 pour un diamètre supérieur de conduite, sinon déterminer le rapport correspondant des vitesse temps de pluie - vitesse nominale (graphique 1 de l’énoncé), Etape 7 : calcul de la vitesse de l’écoulement par « temps de pluie » et vérification qu’elle est inférieure à la vitesse maximale recommandée par les normes ; si elle est supérieure il est nécessaire d’augmenter le diamètre ou de diminuer la pente de la canalisation et de reprendre les points 2 à 7, Etape 8 : calcul du débit « temps sec » QTS, de son rapport avec le débit nominal de la canalisation et du rapport vitesse temps sec – vitesse nominale correspondant, Mise à jour le 31.05.2003 HU 0205 - Page 3 Etape 9 : calcul de la vitesse « temps sec » de l’écoulement et vérification qu’elle est supérieure à la vitesse minimale recommandée ; si ce n’est pas le cas des mesures constructives ou une diminution du diamètre de la canalisation est nécessaire, de même que de reprendre les points 2 à 9. 2/ Etapes de dimensionnement des conduites 1.1 et 2.0 Dimensionnement de la conduite 2.0 : effectué selon la même procédure que celle utilisée pour la conduite 1.0. On remarquera que la condition sur la vitesse de temps sec n’est pas respectée. Concernant la conduite 1.1 elle ne sert qu’à l’acheminement du débit évacué par la conduite 1.0 : le débit de dimensionnement pour 1.1 est donc celui obtenu pour 1.0. Les pentes des conduites étant différentes, les diamètres nécessaires pour faire passer ce débit de dimensionnement peuvent donc être différents. Le diamètre nécessaire pour la conduite 1.1 est calculé par la formule de Manning-Strickler et le diamètre minimal requis pour la conduite est déduit à partir des données fabricant. Après le choix du diamètre le plus approprié, il est nécessaire d’effectuer les points 6 à 9 pour vérifier les vitesses minimale et maximale de l’écoulement. Les résultats de ces dimensionnements sont donnés dans le tableau 1. Tableau 1 : Résultats du dimensionnement pour un coefficient de Strickler de 90 m1/3/s Conduite Diamètre [mm] QN [l/s] QTP / QN [%] VTP [m/s] QTS / QN [%] VTS [m/s] 1.0 1.1 1.2 2.0 630/614 630/614 1000/975 900/878 439 382 829 887 70 76 94 77 1.6 1.4 1.3 1.6 15 16 16 7 0.7 0.6 0.7 0.6 avec QN : débit maximal (nominal) de la canalisation QTP : débit « temps pluie » de l’écoulement VTP : vitesse « temps pluie » de l’écoulement QTS : débit « temps sec » de l’écoulement VTS : vitesse « temps sec » de l’écoulement Question 2. Dimensionnement de la conduite 1.2 et procédure de contrôle du diamètre Méthode à appliquer : Pour cette canalisation le débit maximal correspondant à une pluie de période de retour de T=5ans est généré par la pluie critique pour le bassin complet. La durée de cette pluie est généralement considérée comme égale au temps de concentration du bassin étudié (bassin complet B=1.0+1.2+2.0) mais ceci n’est pas forcément le cas en pratique. C’est ce que l’on observe fréquemment lorsque les différents sous bassins versants du bassin étudiés sont très hétérogènes (coefficients de ruissellement, surfaces réduites uploads/s1/ hu0205-corrige.pdf