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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Construction C 5 555  1 Barrages par Alain CARRÈRE Directeur Technique, Bureau d’Ingénieurs Conseils COYNE et BELLIER 1. Les barrages dans leur environnement.............................................. C 5 555 - 2 1.1 Fonctions d’un barrage ............................................................................... — 2 1.2 Conditions naturelles d’un site................................................................... — 3 1.3 Harmonisation avec le contexte social et naturel ..................................... — 4 2. B a r r a g e s p o i d s .......................................................................................... — 4 2.1 Caractéristiques générales.......................................................................... — 4 2.2 Stabilité et dimensionnement .................................................................... — 4 2.3 Qualités requises et traitement de la fondation........................................ — 6 2.4 Méthodes de construction .......................................................................... — 7 2.5 Types dérivés : poids évidés, contreforts, barrages de basse chute....... — 8 3. Barrages voûtes........................................................................................ — 8 3.1 Caractéristiques générales.......................................................................... — 8 3.2 Méthodes de dimensionnement ................................................................ — 9 3.3 Qualités requises et traitement de la fondation........................................ — 11 3.4 Méthodes particulières de construction .................................................... — 12 3.5 Types dérivés : barrages à voûtes multiples ............................................. — 12 4. Barrages en remblai ................................................................................ — 13 4.1 Caractéristiques générales.......................................................................... — 13 4.2 Propriétés des matériaux de construction................................................. — 13 4.3 Stabilité et dimensionnement .................................................................... — 15 4.4 Drainage interne du remblai....................................................................... — 15 4.5 Lutte contre l’érosion interne : les filtres ................................................... — 16 4.6 Traitement des fondations .......................................................................... — 16 4.7 Méthodes de construction .......................................................................... — 17 4.8 Autres types de barrages en remblai......................................................... — 17 5. O r g an e s h y d r au l i q u es f o n c t i on n el s e t a n n e x e s .............................. — 18 5.1 Évacuateurs de crues .................................................................................. — 18 5.2 Vidange de fond........................................................................................... — 19 5.3 Passes fonctionnelles .................................................................................. — 19 5.4 Systèmes de dérivation pendant la construction ..................................... — 19 6. Exploitation des barrages...................................................................... — 21 6.1 Législation .................................................................................................... — 21 6.2 Surveillance et auscultation........................................................................ — 21 7. Problèmes qui subsistent. Voies récentes de recherche .............. — 23 7.1 Critères de qualité pour les barrages......................................................... — 23 7.2 Sécurité des barrages.................................................................................. — 23 7.3 Autres progrès récents et recherches en cours ........................................ — 24 Pour en savoir plus.......................................................................................................... Doc. C 5 555 ans cet article, nous traiterons des différents types, des rôles du barrage et des problèmes qui subsistent après leur mise en œuvre. D BARRAGES 1. Les barrages dans leur environnement 1.1 Fonctions d’un barrage Il existe dans le monde plus de 36 000 barrages dont la hauteur dépasse 15 m (figure 1) ; la plupart ont été construits depuis 1950. Ce rapide accroissement du parc (200 par an à l’heure actuelle) cor- respond à l’évolution de la population mondiale dans les pays en développement (figure 2), et à la nécessité toujours plus pressante de gérer de manière rationnelle les ressources en eau. Un barrage relève localement, de manière permanente ou tempo- raire, le niveau d’un cours d’eau et constitue, en association avec les rives naturelles, une réserve. C’est l’un ou l’autre de ces aspects qui prédomine, selon l’objectif recherché. Les objectifs d’un aménagement comportant un barrage sont très variés : — irrigation : 270 millions d’hectares sont irrigués dans le monde ; cela représente le cinquième des terres cultivées, et ce cinquième fournit le tiers de toute la nourriture disponible, ce qui représente les trois quarts de la consommation mondiale d’eau ; l’agriculture est donc de loin le premier consommateur de l’eau des réservoirs ; — génération d’électricité : l’énergie hydroélectrique, avec une production annuelle de 2 100 TWh, représente actuellement 20 % de la production électrique totale, et 7 % environ de toute l’énergie consommée dans le monde ; ces valeurs varient considérablement d’un pays à l’autre ; les plus grosses proportions existent en Norvège (99,6 %), Brésil (90 %), Autriche (79 %) et Canada (66 %). Dans le tiers monde, c’est souvent la seule ressource d’énergie disponible loca- lement. En Europe, l’hydroélectricité a joué un rôle prépondérant dans le développement industriel du XIXe siècle, mais devient de moins en moins importante, les ressources naturelles ne pouvant suivre l’accroissement de la demande ; — contrôle des crues : cela a été de tout temps une forte moti- vation pour l’édification de barrages, et souvent même l’objectif prin- cipal. Une protection permanente efficace de vastes contrées contre les crues a ainsi pu être obtenue, comme dans la vallée du Colorado aux États-Unis grâce au barrage Hoover, ou par les ouvrages plus récents qui protègent les vallées des grandes rivières chinoises ; plus près de nous, le bassin parisien bénéficie d’une protection assurée par les réservoirs Seine, Marne et Aube. Le plus souvent, la protection contre les crues est un effet bénéfique secondaire des ouvrages construits dans un autre but. Globalement, les autres objectifs des barrages sont mineurs en regard des trois buts principaux ; ils sont néanmoins d’importance dans l’aménagement des pays développés ou non ; il faut citer : — l’alimentation en eau potable ou industrielle ; — la régularisation en vue de la navigation ; — les développements touristiques et de loisirs ; — la recharge et l’assainissement des nappes phréatiques. Dans la plupart des cas, c’est le volume du réservoir créé qui est le paramètre significatif des bénéfices apportés par le barrage : — volume utile rapporté au volume des crues, pour la protection contre les crues ; — volume utile rapporté aux variations saisonnières ou inter- annuelles du débit naturel de la rivière, pour les besoins agricoles, urbains ou industriels. Pour les aménagements à buts multiples, on est parfois amené à attribuer à chacun des objectifs une fraction bien définie du volume utile disponible ; cela se traduit en pratique par des règles d’exploitation (§ 6) . La différence entre le volume total du réservoir et le volume utile est constituée par le culot, fraction du réservoir située au-dessous des organes de vidange (§ 5) ; sur les cours d’eau sur lesquels existe un fort transport solide (torrents de montagne, bassins versants déboisés à érosion active), le culot est plus ou moins rapidement comblé par les sédiments. Ce facteur est parfois déterminant dans le dimensionnement d’un barrage (figure 3). Dans le cas de la production d’électricité, la hauteur de la chute (éventuellement augmentée par des moyens divers : gale- ries d’amenée et conduites forcées) joue au moins autant que le volume retenu, puisqu’en première approximation l’énergie pro- duite est égale à : W = 8 QH avec W (kW) puissance produite, Q (m3/s) débit turbiné, H (m) hauteur de chute nette. On notera le cas particulier des usinés marémotrices : la hauteur de chute est constituée par les variations relatives et déphasées du niveau d’un estuaire par rapport à la mer. Figure 1 – Évolution du parc mondial de barrages (plus de 15 m) Figure 2 – Évolution de la population mondiale Figure 4 – Géométrie simplifiée d’un site de barrage 1.2.3 Données géologiques et géotechniques Figure 3 – Principe d’exploitation et dimensions d’une retenue 1.2 Conditions naturelles d’un site 1.2.1 Données hydrologiques L’étude hydrologique du bassin versant (cf. articles Modèles mathématiques en hydrauliques et en hydrologie [C 180] dans ce traité et Mesures et hydrologie de surface [R 2 330] 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 à une 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 incer- titude 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 à l’érosion des sols du bassin versant ; on évalue ainsi la rapi- dité de comblement de la « tranche morte » du réservoir. 1.2.2 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 (figure 3) ; il servira à définir 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 uploads/Geographie/ barrages-ting.pdf