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Projet de fin d’études Spécialité Génie Civil Dimensionnement des évacuateurs d

Projet de fin d’études Spécialité Génie Civil Dimensionnement des évacuateurs de crues de type « Piano Keys Weir ». Application au barrage de Malarce Auteur : SAMBARINO Jérôme INSA Strasbourg, Spécialité Génie Civil, Option Aménagement du Territoire Tuteur Entreprise : LOCHU Alexandre Ingénieur, EDF, Centre d’ingénierie Hydraulique Tuteur INSA Strasbourg : REGENASS Pierre Professeur ENSAM, INSA Strasbourg JUIN 2007 PFE – Dimensionnement des évacuateurs de crues de type « Piano Keys Weir » Application au barrage de Malarce -2/53- SAMBARINO Jérôme – Génie Civil 5ème année – Juin 2007 REMERCIEMENTS J’ai réalisé ce projet de fin d’études avec beaucoup de plaisir. Il m’a permis d’achever ma formation d’ingénieur dans un environnement de haute qualité et entouré de personnes aussi compétentes qu’intéressantes. Ainsi, j’ai pu étoffer mes connaissances techniques et scientifiques, en particulier dans le domaine de l’hydraulique. Durant près de cinq mois, j’ai pu apprécier la grande disponibilité et le réel professionnalisme de toutes les personnes du Centre d’Ingénierie Hydraulique d’EDF au Bourget du Lac, qui ont su donner à mon stage l’efficacité et l’intérêt nécessaire à ma formation d’ingénieur en génie civil. Qu’elles en soient toutes très sincèrement remerciées. Je suis plus particulièrement reconnaissant à Monsieur Alexandre LOCHU, qui a généreusement accompagné et encadré cette formation en m’apportant son aide, son soutien et en me faisant partager un peu de son expérience des projets de génie civil sur des aménagements hydroélectriques. Merci aussi à Monsieur Pierre REGENASS, qui depuis Strasbourg a pris le temps de me conseiller et de m’orienter tout au long de mon projet de fin d’études. Merci encore aux trois personnes ayant partagé mon bureau pendant cinq mois : Messieurs Grégory GUYOT, Alain MARIET et Bernard RITTER. Ils ont facilité mon intégration et ils ont su donner quotidiennement à mon stage, une ambiance de travail à la fois agréable et stimulante. Merci enfin à Monsieur Alain MERCIER, chef du Service Génie Civil du CIH du Bourget du Lac, pour la confiance qu’il m’a témoignée en acceptant ma candidature de stage, mais surtout pour son choix de sujet particulièrement intéressant et enrichissant auquel j’ai pu me consacrer, ainsi que pour la qualité et la pertinence de ses conseils tout au long de ce projet de fin d’études. PFE – Dimensionnement des évacuateurs de crues de type « Piano Keys Weir » Application au barrage de Malarce -3/53- SAMBARINO Jérôme – Génie Civil 5ème année – Juin 2007 RESUME Des études récentes ont montré que de nombreux sites possèdent un déficit d’évacuation par rapport à la crue de projet (période de retour de 1 000 ans pour les barrages en béton). Pour pallier cette insuffisance, un recalibrage des évacuateurs de crues existants sur ces barrages est nécessaire. Récemment un nouveau type d’évacuateur labyrinthe, baptisé « Déversoir en Touches de Piano » (Piano Keys Weir), a été développé. Il s’agit d’améliorer l’ancien procédé en donnant une pente au fond plat d’un seuil labyrinthe traditionnel. Les éléments du déversoir se trouvent ainsi en porte-à-faux. Cette solution innovante d’évacuateur de crues labyrinthe a l’avantage de pouvoir être mise en œuvre sur les sections de largeur limitée rencontrées en crête des barrages poids existants. Dans un premier temps, j’ai été affecté à un projet de déversoir en touches de piano au barrage de Malarce. Ce barrage est situé entre Nîmes et le Puy en Velay sur la rivière Chassezac, qui est un affluent de l’Ardèche. Mon rôle a consisté à réaliser une étude technico- économique de cette proposition en cherchant à optimiser le calage du seuil P.K. d’une part, et le coût lié à la baisse de la cote de la retenue normale par rapport au coût des travaux de génie civil d’autre part. Dans un deuxième temps, sachant que dans les années à venir beaucoup de projets similaires verront le jour, j’ai du réaliser un logiciel permettant de faciliter le prédimensionnement d’un tel déversoir. Ce programme est basé sur deux modèles différents, l’un favorisant un ouvrage de grande taille mais avec peu d’éléments répétés, l’autre privilégiant de plus petites dimensions pour un nombre d’éléments démultiplié. Mots clés : Evacuateur de crues, Déversoir en Touches de Piano, Evacuateur labyrinthe, Recalibrage d’évacuateur de crues, Crue de projet, Barrage. ABSTRACT Recent hydrological studies show that, for many dams, the design flood with a return period of 1,000 years has been undervalued. As a consequence, a rehabilitation of the existing spillways is needed. In the last few years, a new concept of labyrinth spillways, called “Piano Keys Weir”, has been developed. The former model was improved by replacing the flat bottom of a traditional labyrinth spillway by a shape. So, the weir has overhangs. This innovative alternative of labyrinth spillways can be used on the top of the usual concrete gravity dam sections, unlike labyrinth weirs. Firstly, I was involved in a Piano Keys Weir project on the Malarce dam, situated between Nîmes and Le Puy en Velay, on the Chassezac River, which is an influent of the Ardèche River. I had to realize a technical and economical study for this solution by optimizing the setting of the Piano Keys Weir, and the decrease of the top water level in front of the cost of civil engineering works. Many similar projects will be initiated in the future by EDF. Therefore, after the Malarce project, I made a software in order to help in the designing of a Piano Keys Weir. This software is based on two different models. The first is facilitating a spillway with great dimensions and few elements whereas the other one is privileging a smaller weir with many elements. Key words: Spillways, Piano Keys Weir, Labyrinth Weir, Dam Rehabilitation, Design Flood. PFE – Dimensionnement des évacuateurs de crues de type « Piano Keys Weir » Application au barrage de Malarce -4/53- SAMBARINO Jérôme – Génie Civil 5ème année – Juin 2007 SOMMAIRE REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................ 2 RESUME ............................................................................................................................................................... 3 ABSTRACT........................................................................................................................................................... 3 SOMMAIRE.......................................................................................................................................................... 4 LISTE DES FIGURES ......................................................................................................................................... 6 LISTE DES GRAPHIQUES ................................................................................................................................ 6 LISTE DES TABLEAUX..................................................................................................................................... 7 INTRODUCTION................................................................................................................................................. 8 1. PRESENTATION DE L’ENTREPRISE................................................................................................... 9 1.1. LE GROUPE EDF ................................................................................................................................... 9 1.1.1. Missions .......................................................................................................................................... 9 1.1.2. Historique........................................................................................................................................ 9 1.1.3. Chiffres clés..................................................................................................................................... 9 1.2. LE CENTRE D’INGENIERIE HYDRAULIQUE (CIH) ................................................................................... 9 1.2.1. Missions .......................................................................................................................................... 9 1.2.2. Historique...................................................................................................................................... 10 1.2.3. Organisation ................................................................................................................................. 10 2. PRESENTATION DU PROJET .............................................................................................................. 12 2.1. DESCRIPTION DU BARRAGE DE MALARCE........................................................................................... 12 2.2. LE PROBLEME D’EVACUATION DES CRUES .......................................................................................... 12 2.3. LES DIFFERENTES SOLUTIONS ENVISAGEES AU BARRAGE DE MALARCE ............................................. 12 3. DESCRIPTION D’UN DEVERSOIR EN « TOUCHES DE PIANO »................................................. 14 3.1. DEFINITION DU BESOIN ....................................................................................................................... 14 3.2. GEOMETRIE DES P.K. WEIRS .............................................................................................................. 15 3.3. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DES P.K. WEIRS............................................................................ 16 3.4. LES DEUX MODELES DE P.K.WEIR PROPOSES...................................................................................... 17 3.5. RECOMMANDATIONS DE DIMENSIONNEMENT ..................................................................................... 19 3.6. LIAISON ENTRE STRUCTURE EXISTANTE ET P.K.W. ............................................................................ 20 3.7. SYNTHESE........................................................................................................................................... 20 4. PROGRAMME DE PREDIMENSIONNEMENT DES PKW.............................................................. 22 4.1. OBJECTIF ............................................................................................................................................ 22 4.2. BASE THEORIQUE................................................................................................................................ 22 4.2.1. Type N=5....................................................................................................................................... 22 4.2.2. Type N=7....................................................................................................................................... 27 4.3. FONCTIONNEMENT DU PROGRAMME................................................................................................... 29 4.3.1. Prédimensionnement Hydraulique................................................................................................ 29 4.3.2. Calcul du projet............................................................................................................................. 30 4.4. VALIDATION DU PROGRAMME ............................................................................................................ 31 4.5. EXEMPLES D’APPLICATION ................................................................................................................. 31 4.5.1. Barrage de Goulours..................................................................................................................... 31 4.5.2. Barrage de Saint-Marc.................................................................................................................. 32 4.5.3. Conclusions................................................................................................................................... 34 4.6. L’APPROCHE DEBIT LINEIQUE ............................................................................................................. 34 5. OPTIMISATION DU SEUIL P.K. A MALARCE ................................................................................. 35 5.1. ETUDE POUR UNE BAISSE DE LA RN DE 1,5 ET 1 M.............................................................................. 35 5.2. BAISSE DE LA RN DE 0,5 M................................................................................................................. 35 5.2.1. N=5 ............................................................................................................................................... 35 5.2.2. N=7 ............................................................................................................................................... 35 PFE – Dimensionnement des évacuateurs de crues de type « Piano Keys Weir » Application au barrage de Malarce -5/53- SAMBARINO Jérôme – Génie Civil 5ème année – Juin 2007 5.2.3. Autre solution................................................................................................................................ 36 5.3. BAISSE DE LA RN DE 0,7 M................................................................................................................. 36 5.4. SYNTHESE........................................................................................................................................... 36 6. STABILITE DE LA CULEE RIVE DROITE DU BARRAGE............................................................. 38 6.1. METHODE DE CALCUL......................................................................................................................... 38 6.1.1. Fonctionnement de STABET ......................................................................................................... 38 6.1.2. Critère de stabilité au glissement.................................................................................................. 38 6.1.3. Critère de stabilité au renversement ............................................................................................. 38 6.1.4. Critère de non-écrasement des parements et de la fondation ....................................................... 39 6.1.5. Critère de fissuration .................................................................................................................... 39 6.2. SOUS-PRESSIONS................................................................................................................................. 40 6.3. FORCES EQUIVALENTES DUES AU PKW.............................................................................................. 40 6.4. STABILITE POUR UNE BAISSE DE LA RN DE 0,7 M................................................................................ 41 6.4.1. Paramètres de calcul..................................................................................................................... 41 6.4.2. Stabilité en conditions normales ................................................................................................... 43 6.4.3. Stabilité en conditions exceptionnelles.......................................................................................... 43 6.4.4. Stabilité en conditions extrêmes.................................................................................................... 44 6.4.5. Stabilité du PKW........................................................................................................................... 45 6.5. SYNTHESE ET SOLUTIONS.................................................................................................................... 46 6.5.1. Pour une baisse de la RN de 0,7 m................................................................................................ 46 6.5.2. Pour une baisse de la RN de 1 m................................................................................................... 48 6.5.3. Pour une baisse de la RN de 1,5 m................................................................................................ 49 7. COUTS DES SOLUTIONS ...................................................................................................................... 50 7.1. POUR UNE BAISSE DE LA RN DE 0,7 M................................................................................................. 50 7.2. POUR UNE BAISSE DE LA RN DE 1 M.................................................................................................... 50 7.3. POUR UNE BAISSE DE LA RN DE 1,5 M................................................................................................. 51 7.4. SYNTHESE........................................................................................................................................... 51 7.5. CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS .............................................................................................. 51 CONCLUSION ................................................................................................................................................... 52 BIBLIOGRAPHIE.............................................................................................................................................. 53 PFE – Dimensionnement des évacuateurs de crues de type « Piano Keys Weir » Application au barrage de Malarce -6/53- SAMBARINO Jérôme – Génie Civil uploads/Ingenierie_Lourd/ pfe 1 .pdf