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1 ****** Unité thématique d’enseignement et de recherche (UTER) Gestion Valoris

1 ****** Unité thématique d’enseignement et de recherche (UTER) Gestion Valorisation de l’Eau et Assainissement (GVEA) ****** COURS D’HYDRAULIQUE ROUTIERE Angelbert Chabi BIAOU Enseignant-Chercheur, Hydraulique Générale et appliquée Version Septembre 2010 (revue et corrigée) 2 SOMMAIRE Avant propos ................................................................................................................................................. 4 I. GénéralitéS ............................................................................................................................................ 5 I.1 Introduction ................................................................................................................................... 5 I.2 Brève définition ............................................................................................................................. 5 I.3 Rappels d'écoulement à surface libre ........................................................................................... 6 I.3.1 Ecoulement uniforme ................................................................................................................ 6 I.3.2 Ecoulement graduellement varié .............................................................................................. 6 I.3.3 Calcul de profondeurs normale et critique ............................................................................... 9 I.4 Contenu du cours ........................................................................................................................ 15 I.4.1 Collecte et évacuation des eaux superficielles ........................................................................ 15 I.4.2 Collecte et évacuation des eaux internes ................................................................................ 15 I.4.3 Rétablissement des écoulements naturels. ............................................................................ 16 II. Collecte des eaux superficielles ........................................................................................................... 17 II.1 Etapes qui précèdent les dimensionnements ............................................................................. 17 II.2 Dimensionnement du réseau. ..................................................................................................... 18 II.2.1 Les réseaux .......................................................................................................................... 18 II.2.2 Les données ......................................................................................................................... 22 II.2.3 Dimensionnement hydraulique des ouvrages ..................................................................... 23 II.3 Différents types d'ouvrages superficiels ..................................................................................... 27 II.3.1 Ouvrage de collecte des eaux de la plate-forme ................................................................. 27 II.3.1 Les ouvrages de concentration des eaux ............................................................................ 31 II.3.2 Ouvrage d'évacuation de l'eau de la plate-forme ............................................................... 31 II.3.3 Schéma général de l'ensemble des ouvrages ...................................................................... 31 III. Drainage interne des chaussées et de leurs abords ........................................................................ 33 III.1 Fonction attendues des ouvrages du drainage ........................................................................... 34 III.2 Avantages d'un ouvrage routier bien drainé ............................................................................... 34 III.3 modes d'infiltration de l'eau sous la chaussée ............................................................................ 35 III.3.1 Infiltrations verticales .......................................................................................................... 35 III.3.2 Infiltrations horizontales et effet de bord ........................................................................... 35 III.4 Procédés de drainage des chaussées .......................................................................................... 35 3 III.4.1 Mesure contre l'infiltration directe sur chaussée ............................................................... 35 III.4.2 Protection contre les effets de bord ................................................................................... 36 III.5 Caractéristiques et principe de pose ........................................................................................... 38 IV. Rétablissement des écoulements naturels ..................................................................................... 40 IV.1 Grandes étapes d' une étude du rétablissement de cours d'eau (BV < 100 km2) ....................... 41 IV.2 Calcul des débits .......................................................................................................................... 41 IV.2.1 Coefficient de ruissellement ................................................................................................ 42 IV.2.2 Intensité de la pluie ............................................................................................................. 43 IV.2.3 Le temps de concentration .................................................................................................. 43 IV.2.4 Crue du projet...................................................................................................................... 45 IV.3 Choix des ouvrages ...................................................................................................................... 45 IV.4 Dimensionnement hydraulique de l'ouvrage. ............................................................................. 46 IV.4.1 Considérations générales .................................................................................................... 46 IV.4.2 Cas des dalots et buses ........................................................................................................ 47 IV.4.3 Cas des radiers et ponts submersibles ................................................................................ 65 V. Bibliographie ........................................................................................................................................ 72 VI. Annexes ........................................................................................................................................... 73 Abaques de détermination de la hauteur amont en sortie libre ........................................................ 73 Calcul de la pente critique ................................................................................................................... 78 Calcul de vitesses ................................................................................................................................. 80 4 AVANT PROPOS Ce cours qu’on peut appeler tout simplement cours d’assainissement routier est destiné aux étudiants de l'Institut international d'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement (2iE), en formation initiale présentielle et à distance. Dispensé dans l’unité ‘enseignement (UE) Génie-civile des cycles Bachelor et Master, il présente essentiellement les aspects hydrauliques des différents ouvrages nécessaires pour assurer la collecte et l’évacuation des eaux qui peuvent se stagner sur la chaussée. Les aspects génie civile des ouvrages présentés étant pris en compte par une autre matière de cette unité d’enseignement. Etant donné que le contenu du cours est basé sur l’Hydraulique à Surface Libre (HSL), un bref rappel d’HSL est présenté au début de l’ouvrage afin de permettre meilleure compréhension de cet ouvrage, surtout pour ceux qui n’ont pas suivi ce cours d’HSL. 5 I. GENERALITES I.1 Introduction Lors de la conception des ouvrages routiers, un des problèmes techniques les plus importants auquel un ingénieur doit faire attention est celui de l'assainissement du futur ouvrage. Il s'agit essentiellement de la collecte et de l'évacuation des eaux superficielles sur l'emprise de la route, de la collecte et l'évacuation des eaux internes (drainage) et enfin, du rétablissement des petits écoulements naturelles (petits ouvrages de franchissement). A noter que, pour ce dernier type de problème, les cas des grands cours d'eau, rivières et fleuves ne sont pas pris en compte dans le cadre de cet ouvrage, ces cas étant traités par les projets de grands ouvrages de franchissement tels que les ponts. Le choix des différents ouvrage doit répondre à un certains nombre de contraintes toutes dépendant de la taille du projet routier (routes en terres, petites routes bitumées, autoroutes…), mais aussi des conditions naturelles (pluviométrie, géologie, relief…). Par ailleurs, si la plus part des calculs se font dans les conditions d'écoulement uniforme, il faut faire attention aux points singuliers et aux extrémités ou les écoulements se produisent dans les conditions d'un régime graduellement varié et ou les eaux internes risquent de s'accumuler (Zones de transition remblai-déblai, passages inférieurs, tranchées sous-chaussées etc.). Les problèmes posés par l'assainissement routier sont relativement différents de ceux posés par l'assainissement urbain en ce sens que le bassin versant routier est plus homogène, le réseau routier est souvent linéaire. Les solutions proposées dans ce ouvrage vont dans tous les cas privilégier la simplicité des ouvrages, leur solidité et la facilité de les entretenir. Pour finir, le projeteur doit avoir à l'esprit que des problèmes environnementaux peuvent découler de sont projet (modification des écoulements naturels de surface, interruption des écoulements souterrains irrigant les cultures, rabattement des nappes) et prendre des dispositions conséquentes pour éviter des catastrophes. Ce document traite essentiellement des ouvrages neuves, mais il est à recommander qu'il est important, pour maintenir en bon état les ouvrages, d'en assurer la surveillance et l'entretien permanent. I.2 Brève définition L'hydraulique routière ou encore l'assainissement routier est l'ensemble des moyens et techniques utilisés pour résoudre les problèmes de collecte et d'évacuation des eaux superficielles et des eaux internes sur l'emprise de l'ouvrage routier mais aussi ceux du rétablissement des petits écoulements naturels qui devraient se faire si l'ouvrage routier ne s'était pas implanté. Comme on l'a souligné en introduction, cette forme d'hydraulique est différente de ce qu'on appelle hydraulique urbaine à cause du 6 caractère particulier du bassin versant caractéristique de l'ouvrage routier, ainsi que du caractère linéaire de la plate-forme. I.3 Rappels d'écoulement à surface libre I.3.1 Ecoulement uniforme Un écoulement se déroule à un régime dit uniforme lorsque les paramètres géométriques (sections transversales et pentes), hydrauliques (vitesses du fluide) et rugosité des parois et du fond sont tous constants. En conséquence, la surface libre est parallèle au fond de l'ouvre. Ce type d'écoulement n'a lieu que loin des extrémités et des singularités observables sur le profil en long de l'ouvrage. La hauteur correspondante à un débit donnée pour un écoulement uniforme s'appelle hauteur normale ou encore tirant d'eau normale. Elle se calcule par une formule du type Manning-Strickler : étant le débit à évacuer par l'ouvrage dans les conditions uniformes; étant le coefficient de Strickler ( ) et n étant le coefficient de Manning ( ), tous les deux dépendant de la nature et de l'ouvrage; étant la section mouillée de l'ouvrage (Aire de la partie mouillée de la section transversale de l'ouvrage); (m) étant le rayon hydraulique de l'ouvrage. C'est le rapport de la section mouillée au périmètre mouillé (longueur du contour de la partie mouillée de la section transversale de l'ouvrage); I étant la pente de fond (donc de la surface libre, l'écoulement étant supposé uniforme). I.3.2 Ecoulement graduellement varié I.3.2.1 Notion de charge hydraulique : C'est l'énergie totale du fluide par unité de poids (estimée par rapport à une référence horizontale). Elle est la somme, en une section donnée, de l'énergie mécanique, de l'énergie de pression et de l'énergie cinétique, toutes par unité de poids. Figure I-1 : Charge hydraulique - étant la côte du fond par rapport à une référence horizontale donnée; - étant le tirant d'eau - étant la vitesse de l'eau - étant l'accélération de la pesanteur 7 I.3.2.2 Théorème de Bernoulli Il stipule que lorsque les pertes de charge sont négligeable, entre deux sections distinctes de l'ouvrage, on a . I.3.2.3 Charge spécifique C'est la charge hydraulique pour laquelle le fond est pris comme référence. Elle s'écrit donc I.3.2.4 Régimes d'écoulement Elle est mise en évidence, d'une part par les variations de la charge spécifique définie ci-dessus et qui peut encore s'écrire , S étant la section mouillée. Cette charge spécifique admet un minimum au point où le tirant d'eau prend la valeur appelée tirant d'eau critique ou hauteur critique, qui n'est rien d'autre que la solution de l'équation , étant la largeur en miroir (la largeur de la surface libre dans la section courante. La Figure I-2 représente la courbe de la charge spécifique en fonction de la profondeur, pour un débit (constant) donné. Figure I-2 : Variation de la charge spécifique en fonction de y pour un débit donné (constant)  Pour , l'énergie potentielle caractérisée par y est faible et l'énergie cinétique est élevée et donc les vitesses sont élevées. On dit que le régime d'écoulement est torrentiel. Régime fluvial Régime torrentiel 8  Pour , l'énergie potentielle caractérisée par y est forte et l'énergie cinétique est faible et donc les vitesses sont faibles. On dit que le régime d'écoulement est fluvial. Pour une énergie spécifique donnée, le canal peut écouler le débit Q sous deux profondeurs possibles. Pour la première d'entre elles, plus petite que la profondeur critique, le débit est évacué sous uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-hydraulique-routiere-15-09-10.pdf