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Guide technique Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’ora

Guide technique Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage Auteurs : José VAZQUEZ, Matthieu DUFRESNE, Martin FISCHER, Marie MANCEAU, Gilles ISENMANN et Jonathan WERTEL Mai 2016 Avec la participation de Maxence GRAEBLING, Gérald NEYRINCK et Nicolas SCHAER Guide technique : Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage 2 Résumé Ce guide technique est un livrable du projet MENTOR acronyme de « MEasurement sites conception method for sewer NeTwORks » (en Français : Méthodologie et outils opérationnels de conception et de qualification de sites de mesures en réseau d’assainissement). Ce projet a été financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du programme ECOTECH Edition 2011 et s’est déroulé sur la période 2012 – 2016. Ce guide a pour objectif de proposer une méthodologie de diagnostic hydraulique des déversoirs de type : frontal, latéral et de forme quelconque, dans le cadre de leur autosurveillance. Chaque déversoir est analysé en fonction de sa géométrie et du régime d’écoulement pour son instrumentation. La finalité de ce guide est de permettre à un maître d’ouvrage ou à un bureau d’études de faire un choix sur les moyens à mettre en œuvre pour proposer une instrumentation de l’ouvrage de déversement soit par la mesure des débits (amont - aval et déversé), soit par la mesure de sa lame déversante. Concernant ce dernier, la priorité sera donnée aux lois hydrauliques les plus simples possibles. Guide technique : Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage 3 Table des matières I. PRINCIPE D’INSTRUMENTATION ........................................................................................................................ 4 A. PREAMBULE .................................................................................................................................................................................. 4 B. LES DIFFERENTS PRINCIPES D’INSTRUMENTATION ................................................................................................................ 5 1. Mesure du débit dans la conduite de décharge (méthode 1) ............................................................................ 5 2. Mesure par différence entre les conduites d’entrée et de sortie conservée (méthode 2) ....................... 7 3. Instrumentation en hauteur(s) d’eau (méthode 3) ............................................................................................... 7 II. APPLICATION DE LA METHODE 3 AU DEVERSOIR FRONTAL ................................................................... 9 A. TYPE DE DEVERSOIR ET DIAGNOSTIC GEOMETRIQUE ............................................................................................................. 9 B. DONNEES NECESSAIRES POUR LE DIAGNOSTIC ...................................................................................................................... 11 C. OBJECTIF DU DIAGNOSTIC HYDRAULIQUE .............................................................................................................................. 12 D. METHODE DE CALCUL POUR LE DIAGNOSTIC HYDRAULIQUE .............................................................................................. 17 1. Garantir un écoulement fluvial dans la conduite amont ................................................................................. 17 2. Vérifier le passage entre la conduite amont et la chambre du déversoir.................................................. 18 3. Vérifier que l’écoulement est rectiligne provenant de l’amont ..................................................................... 20 4. Vérifier l’ennoiement du déversoir par la conduite de décharge ................................................................. 21 5. Vérifier la vitesse de la conduite aval conservée ................................................................................................. 24 E. BILAN DU DIAGNOSTIC .............................................................................................................................................................. 25 F. LOIS HYDRAULIQUES UTILISABLES .......................................................................................................................................... 26 1. Déversoir rectangulaire à crête mince sans contraction latérale en dénoyé et aéré ........................... 27 2. Déversoir rectangulaire à crête mince avec contraction latérale en dénoyé .......................................... 28 3. Seuil épais rectangulaire dénoyé sans contraction latérale .......................................................................... 30 G. POSITION DU POINT DE MESURE .............................................................................................................................................. 31 H. EXEMPLE DE DIAGNOSTIC D’UN DEVERSOIR FRONTAL......................................................................................................... 31 III. LE DEVERSOIR LATERAL ..................................................................................................................................... 35 A. TYPE DE DEVERSOIR ET DIAGNOSTIC GEOMETRIQUE ........................................................................................................... 35 B. DONNEES NECESSAIRES POUR LE DIAGNOSTIC ...................................................................................................................... 36 C. OBJECTIF DU DIAGNOSTIC HYDRAULIQUE .............................................................................................................................. 37 D. BILAN DU DIAGNOSTIC .............................................................................................................................................................. 41 IV. CAS DES DEVERSOIRS QUELCONQUES ........................................................................................................... 42 A. INTRODUCTION .......................................................................................................................................................................... 42 B. LE DEVERSOIR GEOMETRIQUEMENT COMPLEXE EST-IL INSTRUMENTABLE A PARTIR D’UNE MESURE DE NIVEAU D’EAU ? .................................................................................................................................................................................................... 43 1. Risque de ressaut hydraulique ................................................................................................................................... 44 2. Précision de la mesure ................................................................................................................................................... 48 C. DETERMINATION DE LA RELATION HAUTEUR / DEBIT ........................................................................................................ 50 V. REFERENCES ............................................................................................................................................................ 52 Guide technique : Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage 4 I. Principe d’instrumentation A. Préambule Un déversoir d’orage est un ouvrage de limitation du débit conservé dans le réseau (en rouge sur la figure suivante). Pour cela, une partie du débit amont (en vert) est déversé (en bleu). Figure 1. Vue d'un déversoir d'orages latéral Les déversoirs peuvent être classés suivant la forme de l'ouvrage de dérivation (Joannis, 2009). On peut distinguer les déversoirs avec et sans crête déversante comme les trop pleins de bassin ou les "leaping weir". Concernant les déversoirs à crête, la figure suivante illustre quelques formes d'ouvrage déversant. Collecteur amont Collecteur de décharge Vue de dessus Collecteur aval Déversoir latéral sans entonnement à une crête déversante Vue de dessus Collecteur amont Collecteur aval Collecteur de décharge Déversoir latéral sans entonnement à deux crêtes déversantes Débit conservé Débit entrant Débit déversé Guide technique : Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage 5 Crête du déversoir Ligne d’eau Génératrice supérieure de la conduite aval Déversoir latéral à crête basse Crête du déversoir Ligne d’eau Conduite aval étranglée Déversoir latéral à crête haute Seuil déversant pour une crête haute ou basse Vers l’émissaire Départ vers STEP Arrivée d’eau Déversoir latéral avec entonnement à une crête déversante Vers la STEP Vers l’émissaire Arrivée de l’eau Seuil sans contraction latérale Vers la STEP Vers l’émissaire Seuil à crête haute Arrivée de l’eau Vue de dessus Vue de côté Déversoir frontal à une crête déversante Seuil déversant à crête haute ou basse Vers l’émissaire Départ vers STEP Arrivée d’eau Déversoir curviligne Figure 2. Illustration de quelques déversoirs d’orage. B. Les différents principes d’instrumentation 1. Mesure du débit dans la conduite de décharge (méthode 1) Cette méthode est la plus naturelle si on s’intéresse essentiellement aux volumes déversés. Comparée à une mesure par différence amont-aval, elle permet de limiter les points de mesure à installer. Dans certains cas on peut même appréhender plusieurs déversoirs par une seule mesure, si les rejets sont rassemblés dans un même collecteur qui ne reçoit pas d’autres apports. On a en général recours à une mesure de hauteur couplée à une mesure de vitesse, car cette technique permet de s’affranchir des influences aval fréquemment présentes dans ce type d’ouvrage. La mesure de vitesse peut s’effectuer par la technique du temps de transit. On obtient alors une bonne représentativité spatiale à condition de s’éloigner suffisamment du seuil déversant pour que la mesure ne soit pas perturbée par les bulles. Sinon on peut avoir recours à un capteur à effet Doppler. Ce type de capteur nécessite une étude soignée de son implantation pour permettre une estimation fiable de la vitesse moyenne. Guide technique : Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage 6 Le calcul d'incertitude sur le débit combine l'incertitude sur la mesure de vitesse et l'incertitude sur la section mouillée, cette dernière résultant de l'incertitude sur la géométrie de la section et de l'incertitude sur la mesure de hauteur. L'incertitude sur la mesure de vitesse intègre :  La précision intrinsèque du capteur, en général de l'ordre du cm/s,  La dispersion des valeurs instantanées, souvent importante (5 à 10 cm/s) mais pouvant être réduite par un échantillonnage temporel (par exemple un enregistrement de valeurs moyennes sur 1 à 5 min),  La relation programmée (en général dans le transmetteur) et permettant de passer de la valeur de vitesse mesurée à la vitesse moyenne dans la section. Le point le plus délicat concerne l'incertitude liée à la relation vitesse mesurée – vitesse moyenne. Dans des conditions hydrauliques favorables à un développement connu du champ de vitesse et avec un échantillonnage adapté des vitesses, Bertrand-Krajewski et al. (2008) citent des valeurs de 15 à 20 % comme ordre de grandeur de l'incertitude des méthodes utilisant une mesure de vitesse. Ces valeurs d’incertitude peuvent rapidement se dégrader et dépasser 30 % voire bien davantage si le contexte est moins favorable ou si les conditions de mise en œuvre et d’exploitation ne font pas l’objet d’un soin suffisant. Du point de vue de l’exploitation, le capteur a l’avantage d’être accessible par temps sec, ce qui facilite sa maintenance. En contrepartie, il ne fournit des informations que lors des épisodes de déversement, ce qui ne permet pas de vérifier en permanence son fonctionnement (présence de signal, absence de dérive, d'encrassement). Le diagramme suivant permet de faire une analyse hydraulique des conditions d’utilisation de la méthode 1. On peut également imaginer une mesure par un venturi. Il faudra vérifier que ce capteur intrusif ne perturbe pas l’amont en noyant le déversoir et qu’il fonctionne en écoulement transcritique. Cela se traduit par une faible influence aval du milieu naturel et une pente forte à l’aval du venturi. 1. Faible longueur de collecteur ? 2. Ressaut dans la conduite dû à la chute dans le déversoir ? Non Non Oui Instrumenter à l’aval du ressaut dans la partie fluvial Attention aux bulles d’air dues à la chute Oui Analyse des déversoirs à crête : Méthode 1 =>Mesure Débit(déversé) Pas de possibilité de placer un capteur de vitesse sans augmenter la longueur de conduite 3. Impact du niveau dans le milieu naturel ? Non Oui Vérifier les vitesses faibles 3. Régime d’écoulement fluvial ? Vérifier le dépôt dans le réseau Vérifier les faibles vitesses Oui Guide technique : Diagnostic pour l’aide à l’instrumentation des déversoirs d’orage 7 2. Mesure par différence entre les conduites d’entrée et de sortie conservée (méthode 2) Cette méthode consiste à mesurer le débit à l’amont et à l’aval du déversoir. Le débit déversé est alors obtenu par différence. La méthode est applicable à tous uploads/Litterature/ guide-technique-diagnostic-do-pour-l-x27-autosurveillance.pdf