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ﺟﺎϣﻌﺔ ﺗﻮϧﺲ اﻟϤϨﺎر Université de TUNIS EL MANAR B.P. 37 le Belvédère 1002 Tunis

ﺟﺎϣﻌﺔ ﺗﻮϧﺲ اﻟϤϨﺎر Université de TUNIS EL MANAR B.P. 37 le Belvédère 1002 Tunis Tunisie ص ب37 اϟﺒϠﻔـﺪار1002 Ηـﻮﻧـﺲ Tél. : 216 71 874 700 اϟﻬﺎΗﻒFax : 216 71 872 729 : اϟﻔﺎآﺲ Email : Enit@ enit.rnu.tn :اϟﺒﺮϳﺪ اﻹϟﻜΘﺮوﻧ ϲ Polycopié du cours OUVRAGES HYDRAULIQUES Pour les élèves des 3ème années Département de Génie Civil de l’ENIT Par Khlifa MAALEL & Zouheir HAFSIA Version Mai 2012 OUVRAGES HYDRAULIQUES TABLE DES MATIERES Département de Génie Civil Laboratoire d’Hydraulique ENIT i TABLE DES MATIERES CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES RESSOURCES EN EAU ET LES OUVRAGES HYDRAULIQUES................................................................................................................. 1 I-1 INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 1 I-2 LES RESSOURCES EN EAU DE LA TUNISIE ET DANS LE MONDE ........................................... 3 I-2.1 L’EAU EN TUNISIE ................................................................................................................................. 3 I-2.1.1 PLUVIOMETRIE MOYENNE................................................................................................................... 3 I-2.1.2 Ressources potentielles.................................................................................................................. 5 I-2.1.3 Besoins ou Demandes en Eaux de la Tunisie............................................................................... 12 I-2.1.4 Bilan Ressources/Besoins en Tunisie........................................................................................... 12 I-2.1.5 Plans de Gestion et Stratégie pour le Développement des Ressources en Eaux en Tunisie......... 13 I-2.2 L’EAU DANS LE MONDE...................................................................................................................... 13 I-2.2.1 Bilan Hydrologique...................................................................................................................... 13 I-2.2.2 Distribution des Ressources Mondiales en Eaux......................................................................... 15 I-3 OUVRAGES DE RETENUES ET HYDROELECTRIQUES EN TUNISIE ET DANS LE MONDE ......................................................................................................... 17 I-3.1 LES BARRAGES EN TUNISIE.................................................................................................................. 17 I-3.2 PLAN DIRECTEUR DE L’UTILISATION DES EAUX DU NORD................................................................... 18 I-3.2.1 La vallée de la Medjerdah ........................................................................................................... 18 I-3.2.2 Bassin de l’Ichkeul....................................................................................................................... 18 I-3.2.3 Bassin de Zouara ......................................................................................................................... 18 I-3.2.4 Bassin de Tbourba ....................................................................................................................... 18 I-3.2.5 Bassin de Barabara...................................................................................................................... 18 I-3.2.6 Gestion des différents ouvrages................................................................................................... 19 I-3.3 LES BARRAGES DANS LE MONDE.......................................................................................................... 19 I-4 PROCEDURES DE CONCEPTION ..................................................................................................... 22 I-4.1 PREMIERE PHASE : ETUDES PRELIMINAIRES OU AVANT PROJET SOMMAIRE (APS).............................. 22 I-4.2 DEUXIEME PHASE : ETUDE D’AVANT PROJET DETAILLE (APD) .......................................................... 22 I-4.3 TROISIEME PHASE : ETUDES DE REALISATION DES OUVRAGES (DOSSIER D’EXECUTION) ...................... 22 I-5 CONCLUSION........................................................................................................................................ 23 CHAPITRE II : OUVRAGES DE RETENUE ........................................................................................... 25 II-1 DEFINITION DES TERMES UTILISES............................................................................................ 25 II-2 CLASSIFICATION DES CENTRALES HYDROELECTRIQUES ET DES BARRAGES........... 27 II-2.1 CLASSIFICATION DES CENTRALES HYDROELECTRIQUES .................................................................... 27 II-2.1.1 Définitions .................................................................................................................................. 27 II-2.1.2 Classification des centrales hydroélectriques ............................................................................ 29 II-2.2 CLASSIFICATION DES BARRAGES ........................................................................................................ 31 II-2.2.1 Classification des retenues d’après les utilisation diverses de l’eau.......................................... 31 II-2.2.2 Classification des retenues d’après la structure......................................................................... 32 II-2.2.3 Classification des barrages selon le type de matériaux et le mode de résistance à la poussée de l’eau......................................................................................................................................................... 32 OUVRAGES HYDRAULIQUES TABLE DES MATIERES Département de Génie Civil Laboratoire d’Hydraulique ENIT ii II-322.2.4 Autres classifications des barrages ........................................................................................ 32 II-3 CHOIX DU SITE ET DES CARACTERISTIQUES D’UN BARRAGE .......................................... 33 II.3.1 CONDITIONS RELATIVES A LA TOPOGRAPHIE ...................................................................................... 33 II-3.2 CONDITIONS GEOLOGIQUES................................................................................................................ 33 II-3.2.1 La stabilité du barrage ............................................................................................................... 33 II-3.2.2 Etanchéité de la retenue ............................................................................................................. 33 II-3.3 CONDITIONS HYDROLOGIQUES ........................................................................................................... 35 II-3.4 CONDITIONS RELATIVES A LA GEOGRAPHIE HUMAINE ........................................................................ 38 II-4 TRAVAUX D’OUVRAGES HYDROTECHNIQUES........................................................................ 38 II-4.1 SUJETIONS COMMUNES....................................................................................................................... 38 II-4.2 DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES .......................................................................................................... 38 II-4.2.1 Procédés de construction en lit de rivière .................................................................................. 38 II-4.2.2 Procédés de coupure d’un cours d’eau ...................................................................................... 41 II-4.3 ETANCHEITE ET CONSOLIDATION DES FONDATIONS............................................................................ 41 II-4.3.1 Fondations sur roches consistantes............................................................................................ 41 II-4.3.2 Fondations sur terrain meubles.................................................................................................. 42 II-5 ACTIONS ET REMEDES DES OUVRAGES HYDRAULIQUES................................................... 42 II-5.1 ACTIONS............................................................................................................................................. 42 II-5.2 REMEDES............................................................................................................................................ 42 II-6 BARRAGES RIGIDES (EN MATERIAUX ASSEMBLES).............................................................. 46 II-6.1 BARRAGES POIDS OU « GRAVITE » (GRAVITY DAMS).......................................................................... 46 II-6.1.1 Forces agissant sur un barrage poids ........................................................................................ 47 II-6.1.2 Conditions de stabilité des barrages poids................................................................................. 49 II-6.1.3 Conclusion.................................................................................................................................. 55 II-6.2 BARRAGE A CONTREFORTS (BUTTRESS DAMS).................................................................................... 55 II-6.3 BARRAGE VOUTES (ARCH DAMS)........................................................................................................ 56 II-6.3.1 Voûte simple ............................................................................................................................... 56 II-6.3.2 Voûtes multiples.......................................................................................................................... 58 II-6.3.3 Conclusion.................................................................................................................................. 59 II-7 BARRAGES EN MATERIAUX NON ASSEMBLES OU « EN REMBLAIS » (EMBANKMENT DAMS)..................................................................................................................... 59 II-7.1 BARRAGES EN TERRE (ERATH DAMS).................................................................................................. 59 II-7.1.1 Matériaux de construction.......................................................................................................... 59 II-7.1.2 Conditions de stabilité des barrages en terre............................................................................. 60 II-7.1.3 Formes et structure des ouvrages............................................................................................... 64 II-7.1.4 Conclusion.................................................................................................................................. 64 II-7.2 BARRAGES EN ENROCHEMENTS (ROCK-FILL DAMS)............................................................................ 65 II-7.2.1 Eléménts d’étanchéités ............................................................................................................... 66 II-7.2.2 Conditions de stabilité................................................................................................................ 66 II-7.2.3 Conclusion.................................................................................................................................. 66 II-8 BARRAGES MOBILES (AU FIL DE L’EAU)................................................................................... 67 II-8.1 INTRODUCTION................................................................................................................................... 67 II-8.2 ELEMENTS MOBILES ........................................................................................................................... 68 II-8.2.1 Vannes levantes .......................................................................................................................... 68 II-8.2.2 Vannes segments......................................................................................................................... 69 II-8.2.3 Hausses....................................................................................................................................... 69 II-8.4.4 Vannes à Clapets ........................................................................................................................ 70 II-8.2.5 Autres types de bouchures mobiles............................................................................................. 71 II-8.3 PARTIES FIXES .................................................................................................................................... 72 II-8.3.1 Radier......................................................................................................................................... 72 II-8.3.2 Fondation ................................................................................................................................... 72 II-8.3.3 Piles et culées ............................................................................................................................. 73 OUVRAGES HYDRAULIQUES TABLE DES MATIERES Département de Génie Civil Laboratoire d’Hydraulique ENIT iii II-9 BARRAGES COLLINAIRES............................................................................................................... 74 II-9.1 DEFINITION, OBJECTIFS ET JUSTIFICATIONS ........................................................................................ 74 II-6.2 SCHEMAS TYPES DE L’AMENAGEMENT COLLINAIRE ........................................................................... 74 II-9.3 PHASES DE REALISATION D’UN BARRAGE COLLINAIRE....................................................................... 76 II-9.4 DIFFERENTS TYPES DES BARRAGES COLLINAIRES ............................................................................. 76 II-9.5 CRITERES DE CONCEPTION DES DIGUES EN TERRE ET/OU EN ENROCHEMENTS..................................... 78 II-9.6 LES FONDATIONS ET LES TRAITEMENTS A ADOPTER ........................................................................... 79 II-9.6.3 Les fondations en matériaux fins à très fins................................................................................ 81 II-9.7 LES DIMENSIONS DE LA DIGUE............................................................................................................ 81 II-9.7.1 Courbe hauteur-capacité de la retenue ...................................................................................... 81 II-9.7.2 Hauteur de la digue.................................................................................................................... 82 II-9.7.3 Largeur en crête de la digue....................................................................................................... 84 II-9.7.4 Pentes des talus de la digue........................................................................................................ 84 II-9.8 ETUDES DES INFILTRATIONS DANS LE BARRAGE ET LA FONDATION.................................................... 86 II-9.9 CALCULS DE STABILITE ...................................................................................................................... 89 II-9.10 PROTECTION DE LA DIGUE ................................................................................................................ 89 II-10 OUVRAGES ANNEXES..................................................................................................................... 89 II-10.1 DEVERSOIRS..................................................................................................................................... 89 II-10.1.1 Déversoir de surface................................................................................................................. 89 II-10.1.2 Déversoir en charge ................................................................................................................. 90 II-10.1.3 Choix du type de déversoir ....................................................................................................... 91 II-10.2 BASSINS D’AMORTISSEMENT OU DE DISSIPATION D’ENERGIE ........................................................... 92 II-10.3 CRITERES DE DIMENSIONNEMENT..................................................................................................... 92 II-10.3.1 Laminage des crues et recherche des dimensions optimales de l’évacuateur de crues............ 93 II-10.4.2 Calculs hydrauliques................................................................................................................ 94 II-10.5 CONCLUSIONS .................................................................................................................................. 98 CHAPITRE III : OUVRAGES DE PRISE D’EAU.................................................................................... 99 III-1 IMPLANTATION ET CRITERES DE CHOIX DU TYPE D’OUVRAGE.................................... 99 III-1.1 INTRODUCTION ................................................................................................................................. 99 III-1.2 PRISES D’EAU EN COURS D’EAU .................................................................................................... 100 III-1.3 PRISES D’EAU EN RESERVOIR ......................................................................................................... 100 III-2 DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES-PRINCIPES DE DIMENSIONNEMENT ....................... 101 III-2.1 DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES ....................................................................................................... 101 III-2.1.1 Prises en Cours d’Eau............................................................................................................. 101 III-2.1.2 Prises en Réservoirs................................................................................................................ 101 III-2.2 PRINCIPE DE DIMENSIONNEMENT .................................................................................................... 106 III-3 LES OUVRAGES D’EPURATION.................................................................................................. 106 III-3.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ..................................................................................................... 106 III-3.2 DISPOSITIFS DE DEVASEMENT DES RETENUES ................................................................................ 107 III-3.3 LE MODELE DE VELIKANOV ............................................................................................................ 109 OUVRAGES HYDRAULIQUES TABLE DES MATIERES Département de Génie Civil Laboratoire d’Hydraulique ENIT iv CHAPITRE IV : OUVRAGES D’ADDUCTION..................................................................................... 111 IV-1 INTRODUCTION .............................................................................................................................. 111 IV-2 CONDUITES ET GALERIES EN CHARGE.................................................................................. 112 IV-2.1 RAPPEL D’HYDRAULIQUE............................................................................................................... 112 IV-2.1.1 Régime Permanent................................................................................................................... 112 IV-2.1.2 Cas des écoulements turbulents............................................................................................... 113 IV-2.1.3 Régimes Non Permanents ou Transitoires .............................................................................. 115 IV-2.2 DIMENSIONNEMENT DES CONDUITES EN CHARGE .......................................................................... 122 IV-2.2.1 Conduites Gravitaires ............................................................................................................ 122 IV-2.2.2 Diamètre économique.............................................................................................................. 123 IV-2.2.3 Conduite d’Amenée d’une Station Hydroélectrique ................................................................ 124 IV-2.2.4 Détermination de l’Epaisseur.................................................................................................. 124 IV-2.3 DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES ...................................................................................................... 125 IV-2.3.1 Tracé en plan et profil en long ................................................................................................ 125 IV-2.3.2 Régulation de pression : Le Brise-Charge ............................................................................ 125 IV-2.3.3 Régulation du débit.................................................................................................................. 128 IV-2.3.4 Pose des conduites................................................................................................................... 129 IV-2.3.5 Chaînage des conduites........................................................................................................... 131 IV-2.3.6 Butées et amarrages des conduites.......................................................................................... 131 IV-2.3.7 Ouvrages en galerie ................................................................................................................ 132 IV-3 CANAUX ET GALERIES A SURFACE LIBRE............................................................................ 134 IV-3.1 DEFINITION DES CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES..................................................................... 134 IV-3.2 CLASSIFICATION DES ECOULEMENTS A SURFACE LIBRE .................................................................. 135 IV-3.3 REGIME PERMANENT- ECOULEMENT UNIFORME ............................................................................ 136 IV-3.3.1 Formule de Chézy.................................................................................................................... 137 IV-3.3.2 Formule de Manning-Strickler................................................................................................ 137 IV-3.3.3 Profondeur Normale................................................................................................................ 138 IV-3.3.4 Section Economique ................................................................................................................ 139 IV-3.3.5 Section Complexe ou Composée.............................................................................................. 140 IV-3.3.6 Profondeur Critique ................................................................................................................ 140 IV-3.3.7 Ecoulement Fluvial, Critique et Torrentiel ............................................................................ 143 IV-3.4 ECOULEMENTS GRADUELLEMENTS VARIES..................................................................................... 144 IV-3.4.1 Classification des ecoulements graduellements variés............................................................ 144 IV-3.4.2 Etude de la forme de la surface libre....................................................................................... 144 IV-3.4.3 Calcul des écoulements Graduellement Variés ....................................................................... 148 IV-3.5 ECOULEMENTS RAPIDEMENT VARIES : DEVERSOIRS ET ORIFICE .................................................... 150 IV-3.6 ECOULEMENT RAPIDEMENT VARIES : RESSAUTS HYDRAULIQUES .................................................. 152 IV-3.6.1 Clacul des profondeurs conjuguées......................................................................................... 152 IV-3.6.2 Perte d’énergie (dissipation d’énergie) à travers un ressaut .................................................. 153 IV-3.6.3 Rendement du ressaut.............................................................................................................. 153 IV-3.6.4 La longueur du ressaut............................................................................................................ 154 IV-3.6.5 Détermination de la position du ressaut.................................................................................. 154 IV-3.7 STABILITE DES CANAUX A FONDS MOBILES ................................................................................... 154 IV-3.7.1 Contrainte Tractrices : Maximale, Moyenne et Critique......................................................... 154 IV-3.7.2 Vitesses d’Erosion (Critique) et de Sédimentation.................................................................. 155 IV-3.7.3 Pentes des Berges et Section Stable......................................................................................... 156 IV-3.8 ECOULEMENTS NON PERMANENTS ................................................................................................. 158 IV-4 CONCLUSION ................................................................................................................................... 159 OUVRAGES HYDRAULIQUES TABLE DES MATIERES Département de Génie Civil Laboratoire d’Hydraulique ENIT v CHAPITRE V : OUVRAGES ROUTIERS .............................................................................................. 161 V-1 GENERALITES................................................................................................................................... 161 V-2 DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE DES PONTS................................................................. 162 V-2.1 COTE MINIMALE SOUS POUTRE ET CRUE DE PROJET......................................................................... 162 V-2.2 COTE NORMALE OU NATURELLE DE L’EAU ..................................................................................... 162 V-2.3 TIRANT D’AIR .................................................................................................................................. 164 V-2.4 SURELEVATION DU NIVEAU DE L’EAU RESULTANT D’UN RETRECISSEMENT DE SECTION................ 164 V-2.4.1 Cas d’un Ecoulement Fluvial (ou Lent).................................................................................... 164 V-2.4.2 Cas de Débordements Importants en Amont (Laminage de la Crue de Projet)....................... 173 V-2.5 PROBLEME DES AFFOUILLEMENTS.................................................................................................... 176 V-2.5.1 Profondeur Normale d’Affouillement ....................................................................................... 176 V-2.5.2 Profondeur d’Affouillement due à la Réduction de Section du Cours d’Eau............................ 178 V-2.5.3 Profondeur d’Affouillement Local dûe à la présence des Piles............................................... 179 V-2.5.4 Influence de la forme des piles sur la profondeur d’affouillement ........................................... 180 V-2.5.5 Protection des Piles Contre les Affouillements........................................................................ 180 V-3 DIMENSIONNEMENT DES BUSES ET DALOTS......................................................................... 181 V-3.1 DIVERS TYPES DE PONCEAUX ........................................................................................................... 182 V-3.2 TYPES D’ECOULEMENTS................................................................................................................... 183 V-3.2.1 Contrôle à l’entrée.................................................................................................................... 184 V-3.2.2 Contrôle à uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-ouvrages-hydrauliques.pdf