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C H A P I T R E V Petits barrages en béton Animé par Paul ROYET (Cemagref) Memb

C H A P I T R E V Petits barrages en béton Animé par Paul ROYET (Cemagref) Membres du groupe : Gérard DEGOUTTE (ENGREF), Max GIRARD (SOMIVAL), Michel LINO (ISL), Jean TEYSSIEUX (COYNE & BELIER), et Georges TRATAPEL (CNR). En introduction de cet ouvrage, nous avons indiqué que nous qualifions de petits les barrages de hauteur inférieure à 25 mètres environ. Dans ce chapitre, cette hauteur, qui n’a qu’un caractère indicatif, est la hauteur du barrage sur sa fon- dation. En effet, c’est essentiellement au niveau du contact entre le barrage et sa fondation que s’analyse la stabilité globale de l’ouvrage. Il n’est pas traité spécifiquement de très petits barrages de moins de 10 mètres de hauteur sur fondation (par exemple les seuils en rivière), même si de nom- breuses recommandations abordées ci-après peuvent s’appliquer à ces ouvra- ges. Ce chapitre n’a pas l’ambition de constituer un traité sur les petits barrages en béton, mais plutôt de souligner les spécificités de ces barrages, tant dans le choix de la solution, dans leur conception ou dans leurs dispositions constructi- ves. En clair, il s’agit surtout de montrer en quoi les petits barrages ne sont pas forcément conçus comme les grands barrages. Ce chapitre aborde tout d’abord les critères de choix conduisant à un projet de barrage en béton, puis à la sélection d'une sous-catégorie : barrage poids en béton conventionnel ou en béton compacté au rouleau (BCR), barrage symétri- que en remblai dur, barrage voûte. Sont ensuite abordés la conception et le dimensionnement des barrages poids classiques, qu’ils soient constitués de bé- ton conventionnel vibré (BCV) ou de béton compacté au rouleau (BCR). Les particularités des barrages en remblai dur font l’objet d’un développement spé- cifique. Il en va de même pour les barrages mobiles couramment rencontrés dans les aménagements de fleuves et de rivières navigables. Sommaire P etits barrages en béton 114 LE CHOIX DU TYPE DE BARRAGE EN BÉTON POURQUOI CHOISIR UN BARRAGE RIGIDE ? En France, le choix d’un ouvrage rigide pour les petits barrages n’est pas le plus fréquent. Statistiquement, on construit beaucoup plus de petits barrages en remblai que d’ouvrages rigides. Quelles sont, le plus souvent, les raisons du choix d’un ouvrage rigide ? nécessité d’évacuer une crue importante ; présence de fonctions hydrauliques complexes dans l’ouvrage (ouvrage vanné pour assurer, par exemple, l’évacuation des sédiments et garantir la pérennité de la retenue, vidange de fond de fort débit) ; incertitude sur l’hydrologie : les ouvrages rigides sont généralement moins sensibles au déversement que les ouvrages en remblai. Sur les sites où il y a une grande incertitude sur les crues, les variantes rigides sont souvent avantageuses (limitation des ouvrages de dérivation provisoire et plus grande sécurité vis-à-vis du risque hydraulique). Il faut toute- fois noter que la stabilité des petits barrages poids est très sensible au niveau des plus hautes eaux. De façon générale, un ouvrage en béton est envisagé chaque fois que les ouvrages hy- drauliques ont une importance significative dans le projet (souvent le cas pour les barrages de prise d’eau sur les aménagements hydroélectriques). Quelles sont les conditions requises pour pouvoir projeter un ouvrage rigide ? La première condition porte sur la qualité de la fondation. En première approximation, on peut énoncer la règle suivante : un barrage rigide nécessite une fondation rocheuse de bonne qualité. Cette règle s’énonce sans restriction pour les petits barrages voûtes qui nécessitent une fondation peu déformable. Pour les barrages à profil poids, il est possible, dans une certaine mesure, d’adapter le profil à la qualité de la fondation par adoucisse- ment du profil. La deuxième exigence pour construire un ouvrage rigide est de disposer, dans des condi- tions économiques acceptables, de granulats de bonne qualité (non gélifs et ne risquant pas de générer des phénomènes de gonflement du béton) nécessaires à sa construction. Ces deux exigences sont d’ailleurs souvent satisfaites simultanément. FONCTIONNEMENT MÉCANIQUE DES BARRAGES RIGIDES Il convient de distinguer les barrages voûtes qui transmettent la poussée hydrostatique par « effet voûte » c’est-à-dire en la reportant sur les rives par des arcs comprimés, et les barrages poids dont l’équilibre est assuré par le poids de l’ouvrage qui permet de mobili- ser le frottement sur la fondation. Chapitre V 115 Barrage voûte Les barrages voûtes reportent la poussée hydrostatique sur la fondation par des arcs travaillant en compression. C’est la géométrie de la voûte et le contraste de rigidité entre le béton et le rocher qui déterminent le fonctionnement de l’ouvrage. La recherche de la forme idéale vise à transmettre la poussée par des arcs entièrement comprimés. Tradition- nellement, les barrages voûtes ont été dessinés en limitant la contrainte maximale dans les arcs comprimés à 5 MPa, correspondant à un cœfficient de sécurité de 4 ou 5 pour un béton de qualité moyenne. Cette condition détermine l’épaisseur de la voûte et la formule du tube ( = p.R/e) reste un moyen efficace de prédimensionnement des petits barrages voûtes. Il en résulte quatre conditions nécessaires pour pouvoir concevoir un barrage voûte (petit ou grand) : condition topographique : la vallée doit être « étroite » ; des barrages voûtes ont été cons- truits sur des sites dont le rapport largeur en crête sur hauteur (l/h) est voisin de 10, mais généralement les voûtes sont intéressantes lorsque l/h est inférieur à 5 ou 6 ; rigidité de la fondation : pour que le fonctionnement « en voûte » soit possible, il faut que la rigidité de la fondation soit suffisante, sinon les arcs ne trouvent pas leurs appuis et la structure tend à fonctionner en console ; comme ordre de grandeur, une voûte ne doit pas être envisagée sans études détaillées lorsque le module de déformation du rocher (mesuré par essais au vérin ou petite sismique) est inférieur à 4 ou 5 GPa ; résistance mécanique de la fondation : on a vu que la voûte transmet des contraintes élevées à la fondation qui doit rester dans le domaine élastique pour ces niveaux de sollicitation ; tenue des dièdres de fondation, sous l’effet des sous pressions et compte tenu de la compression apportée par la voûte qui peut empêcher leur dissipation. Lorsqu’une reconnaissance approfondie de la fondation montre que ces conditions sont réunies, le barrage voûte s’avère souvent une solution économique pour les petits barrages car il minimise de façon très importante les volumes de béton à mettre en œuvre. À titre d’exemple, une voûte cylindrique de 25 mètres de rayon pour un barrage de 25 mètres de hauteur aura une épaisseur de l’ordre de 1,25 mètre en retenant une contrainte maximale de compression de 5 MPa, suivant la formule = p.R/e, à comparer avec une épaisseur moyenne de 10 mètres pour un profil poids classique. Par ailleurs, la conception et la construction sont simples pour des ouvrages de moins de 25 mètres, si l’on s’en tient à des formes géométriques simples. Le barrage voûte présente aussi l’avantage d’être peu sensible à la submersion pour autant que celle-ci reste de courte durée et d’amplitude modérée (risque d’érosion du pied aval). C’est donc un type de barrage qui tolère une sous estimation de la crue de projet. Cependant, nous ne traiterons pas plus longuement des barrages voûtes dans ce docu- ment, car l’expérience montre que cette solution a été rarement adoptée en France ces dernières décennies pour les barrages de moins de 25 mètres de hauteur sur fondation (BLAVET, CHAPEAUROUX1, LE PASSET). 1. Photo 22 p. VIII. P etits barrages en béton 116 Profil poids Pour un barrage à profil poids, le fonctionnement de l’ouvrage est complètement différent : c’est le poids de l’ouvrage (et non sa géométrie comme dans un barrage voûte) qui assure l’équilibre de la poussée hydrostatique et des sous-pressions (voir photo 21 p.VIII). Les sous-pressions ne sont généralement pas considérées pour les barrages voûtes car, du fait de la minceur du profil dans le sens amont-aval, la part des sous-pressions dans l’équilibre est négligeable. Par contre, pour un barrage poids, les sous-pressions jouent un rôle majeur dans l’équilibre. La méthode classique d’étude de la stabilité d’un barrage poids consiste à analyser l’équi- libre global du barrage ou d’une partie de celui-ci sous l’action du poids, de la poussée hydrostatique, des sous-pressions et éventuellement d’autres actions secondaires (par exemple poussée des sédiments ou séisme) Les critères de dimensionnement de l’ouvrage portent sur la répartition des contraintes normales (limitation des tractions au pied amont et limitation des contraintes de compres- sion) et sur l’inclinaison de la résultante. Cette méthode de calcul met en évidence le rôle majeur des sous-pressions dans l’équilibre des barrages poids et donc l’importance du drainage. À titre indicatif, les contraintes maximales de compression sous un profil poids traditionnel à parement vertical et fruit aval de 0,8H/1V sont de 0,35 MPa pour un barrage poids de 25 mètres de hauteur, soit plus de dix fois plus faible que pour un barrage voûte de même hauteur. L’inclinaison de la résultante varie de 27 à 42° suivant uploads/Ingenierie_Lourd/ barrage-poids.pdf