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Les évacuateurs de crues en marches d’escalier représentent une extension natur

Les évacuateurs de crues en marches d’escalier représentent une extension naturelle de la technique du BCR. En effet, puisque le béton est mis en place sous forme de couches minces, il est facile de disposer l’extrémité aval de ces couches en marches d’escalier sur les quelles la lame d’eau déversée perd une partie importante de son énergie, permettant de réduire d’autant les ouvrages de dissipation au pied aval. L’évacuateur de crue (l’EVC) est un organe essentiel pour la sécurité du barrage en permettant l’évacuation de crues donnant lieu à des niveaux supérieurs à la retenue normale et permettant aussi la dissipation de l’énergie. Cet ouvrage consiste en un seuil calé à la côte de retenue normale qui peut être implanté sur la partie centrale pour les barrages rigides. Pour un barrage en remblai, il est implanté en rive ou, si la géologie ou la topographie des rives ne le permet pas, en tulipe. Les dimensions de l’EVC sont fixées par le calcul de laminage à savoir la longueur déversante. On distingue deux grandes familles d’EVC. D’abord, l’EVC de surface et ensuite l’EVC de fond et de demi-fond. Ces derniers fonctionnent en charge normalement sur une partie significative de leur développement ou sur toute la longueur. Leur débit est presque toujours contrôlé par une vanne en orifice placée à l’extrémité avale de la partie en charge. Dans certain cas, ils sont utilisés pour évacuer de forts débit, sous faible charge ou à écoulement libre, pour l’élimination de sédiment, après que la retenue a été abaissée notablement ou vidée ; ce sont alors des vidanges de grande capacité plutôt que des évacuateurs de crue dont la pleine capacité potentielle sous retenue pleine est rarement utilisée. C’est pour cette raison qu’on tâchera de détailler par la suite le fonctionnement hydraulique d’un EVC de surface. Un EVC de surface comporte en général trois parties : A l’amont, un seuil déversant (la crête) sur lequel s’établit l’écoulement torrentiel et qui contrôle ainsi le débit évacué ; Un ouvrage intermédiaire d’accompagnement à pente accentuée appelé Coursier, qui entretient ou accélère l’écoulement torrentiel. Selon la topographie de la vallée à l’axe du barrage, le coursier peut garder la même largeur jusqu’au pied aval ou, le cas échéant, avoir une convergence. ; Un ouvrage terminal à partir duquel le flot évacué revient au lit naturel : cuillère déflectrice avec ou sans fosse d’amortissement aménagée, ou bassin à ressaut. 1.1 Le seuil : 1.1.2 Calcul de la capacité du seuil : Le calcul de la capacité du seuil est étroitement lié à la nature du seuil et sa géométrie d’une part ; et au type d’écoulement dans le seuil d’autre part. Chaque type de seuil est caractérisé par un fonctionnement hydraulique différent. Le déversoir à seuil libre est le type le plus courant d’évacuateurs de crues, et c’est aussi le modèle le plus simple sans aucun organe mécanique. Les déversoirs rectilignes se distinguent par le type d'alignement de la crête qui est disposée sous forme d'une droite de longueur égale à la largeur de l'emprise du déversoir. Le seuil libre coïncide naturellement avec le niveau du réservoir plein. 1.1.2.1.2 Débit : La loi du débit sortant par l’évacuateur de crue est : D__E = E. .__..I/} Avec : QEVC : débit déversé par l’évacuateur de crue en m3/s H : charge au-dessus du seuil en m Lef : largeur effective de l’évacuateur en m .__ = . − } ... + . .. . . - L : largeur totale de l’évacuateur moins les largeurs des piles du pont s’il existe. - Kp : coefficient tenant compte de la forme des culées RD et RG et des piliers en cas d’existence de pont - Ka : coefficient de contraction latérale - N : nombre de piles de l’évacuateur ·C : coefficient de débit obtenu par itérations à partir de la relation suivante : E = } I√I .{ + . . .|.... . }. Avec : . = . .... et Hmax est la hauteur de la lame d’eau maximale au-dessus du seuil. Ou à partir de la relation suivante : 0 12 0 0 . H H = C C      La valeur du coefficient de débit C0 qui correspond à la hauteur de dimensionnement H0 est obtenue à partir des abaques de l’USBR (US bureau of Reclamation) suivantes : abaque de l'USBR pour le calcul du coefficient de débit Co pour un EVC à parement amont vertical abaque de l'USBR pour le calcul du coefficient de débit Co pour un EVC à parement amont incliné 1.2 Le coursier : Les coursiers sont nécessaires pour conduire le flot déversé jusqu’au point de restitution à l’aval du barrage. Leur longueur et leur configuration sont dictées au premier chef par le type de barrage et les formes topographiques. En règle générale, les coursiers à l’air libre ou souterrains ont un tracé rectiligne car ils sont prévus pour des écoulements à surface libre torrentiels difficiles à infléchir. Lorsque les conditions topographiques le permettent, l’écoulement fluvial est maintenu depuis le réservoir. sur toute la distance nécessaire pour imposer le ou les changements de direction nécessaires et la section de contrôle ou section critique est placée à l’origine d’un coursier rectiligne. Les coursiers à paroi lisse constituent le type le plus souvent rencontré dans la conception des grands barrages en béton. Au cours des deux dernières décennies, et vu le progrès technique dans le domaine de construction avec le béton compacté au rouleau (BCR), il y a eu un intérêt croissant concernant les déversoirs en marches d’escalier mais surtout pour les petits et moyens barrages. III.1.2.2 Coursier en marches d’escalier La dissipation à l’aide de l’évacuateur en marches d’escalier est une nouvelle technique qui est devenue largement utilisée dans plusieurs barrages surtout en BCR, en béton cyclopéen ou en gabions. Elle permet une dissipation importante de l’énergie grâce à des bulles d’air produites par la macro-rugosité crée par les marches et réduit par conséquent considérablement la taille du bassin de dissipation voire l’annuler. Les problèmes liés au phénomène de cavitation limitent l’utilisation de cette technique à des débits évacués inférieurs à 30 m3/s par mètre de largeur du coursier, sinon on aura une usure rapide des marches pour lesquelles on utilise en général un béton 31.5/27 comme pour le coursier lisse. III.1.2.2.1 Régimes d’écoulement sur un coursier en marches d’escalier : III.1.2.2.1.1 Ecoulement en nappe : Ce régime peut intervenir à faibles débits ou pour des marches larges. PEYRES et al (1991,1992) indiquent deux types d’écoulement en nappe : écoulement en nappe avec ressaut hydraulique entièrement développé et écoulement en nappe avec un ressaut hydraulique partiellement développé. L’écoulement se caractérise par des jets plongeants d’une marche à l’autre et la dissipation de l’énergie se fait par la rupture des jets dans l’air et par la formation du ressaut entièrement ou partiellement développé. écoulement en nappe avec ressaut entièrement développé écoulement en nappe avec ressaut partiellement développé III.1.2.2.1.2 Ecoulement turbulent (par couche écumante) : Ce type d’écoulement est observé pour des débits plus importants, L’eau se sépare en deux couches, l’une est coincée dans les creux des marches, l’autre glisse sur cette première couche (Chamani et Rajaratnam 1999). En apparence, l’écoulement n’a pas la forme des marches, il est équivalent à un écoulement sur une paroi lisse dont la turbulence serait très élevée. La perte d’énergie se fait principalement par l’entretien des tourbillons aux creux des marches. La couche glissant sur les marches s’apparente à une surface libre fortement aérée. écoulement turbulent III.1.2.2.1.3 Ecoulement transitoire : Le passage entre les deux régimes d’écoulement précédents se fait par un régime transitoire. Celui-ci se caractérise par un point de départ de l’aération de la surface libre et de grandes fluctuations hydrodynamiques. La première partie de l’écoulement (avant le départ de l’aération de la surface libre) est peu connu et difficile à prévoir théoriquement. III.1.2.2.2 Caractéristique des régimes d’écoulement : Selon Chanson (1994) l'apparition d'écoulement en nappe se produit pour une valeur de la grandeur adimensionnelle _A [ inférieure à la valeur critique donnée par la formule : .AG . . GAF_F.Æ_ = {. _.A − _. ._. .. C. yc : étant la hauteur critique égale à .E² E . &/s en m. h : hauteur d’une marche en m. l : largeur d’une marche en m. Quant au régime turbulent il apparait lorsque la valeur de _A [ dépasse la valeur critique précisée par Chanson. Les évacuateurs de crue en marches d’escalier modernes sont conçus pour que l’écoulement soit turbulent (Chanson 2001, Ohtsu et al. 2004, Gonzalez 2005). Les conditions d’aération dans ce cas sont satisfaites. En aval du point de début de l'entraînement d'air une couche contenant un mélange d'air et d'eau s'étend progressivement à travers les marches. Loin en aval l'écoulement devient uniforme. III.1.2.2.3 Calcul du coursier en marches d’escalier : La Figure 54 ci-dessous représente une conception schématique d’un coursier en marches d’escalier. schéma général d'un évacuateur en marche d'escalier. distance Xi entre la crête et le point uploads/Ingenierie_Lourd/ evc.pdf