Du fait de la complexité de l’étude des bassins de rétention sur la branche Pratt amont, il a été décidé de consacrer une section entière du présent mémoire à leur calcul préliminaire. La possibilité de la construction d’un bassin de rétention sur la branche Pratt amont a été étudiée précédemment (St-Amour, 2016) dans le cadre d’un mandat donné par la ville de Coaticook.
Un lieu ressort comme étant particulièrement propice au développement d’un tel ouvrage. Il s’agit de la plaine appelée "Terre Lafaille", située directement à l’amont de la jonction entre le ruisseau Cloutier et le ruisseau Pratt, plus particulièrement dans le sous-bassin versant A25B. En effet, il s’agit d’un emplacement non développé et appartenant en grande partie à la ville (Terrains 1 et 2). Implémenter le bassin dans cette plaine impliquera donc un coût réduit pour la ville et une nuisance faible. Il existe cependant quelques contraintes auxquelles il convient de porter une attention particulière : au nord-ouest de la zone considérée se trouvent des terrains appartenant à des particuliers (Terrains A, B et C) et la ville souhaite avoir à négocier au minimum avec les propriétaires de ces terrains car il s’agit de démarches complexes (l’élévation maximale de l’eau n’inondant pas ces terrains est de 323,25 m) ; et au sud-est se trouve une zone industrielle qui, bien qu’elle soit peu développée pour le moment, fait partie d’un futur projet pour la ville.
Deux visions s’opposent ainsi quant à l’endroit d’implantation de la digue. Là où EXP voit une digue plus en aval, construite sur des terrains non développés de la zone industrielle et empiétant ainsi moins sur les terrains des particuliers ; l’équipe du prof. Morse propose une digue située plus en amont, afin d’éviter toute occlusion de la zone industrielle mais inonder davantage les terrains voisins. Des études seront ainsi menées sur les deux digues.
La figure 3.9 présente les premiers emplacements, soumis à raffinement par la suite de l’étude et appelés emplacements d’ébauche, des deux bassins Pratt envisagés. Sur cette figure, les terrains appartenant à la ville ressortent en fond jaune et orange tandis que les terrains appartenant à des particuliers ressortent en nuances de rouge et violet. Les digues EXP et UL sont respectivement tracées en blanc et noir et les lignes rouges et vertes indiquent la surface approximative inondée par la construction de tels ouvrages lors d’une crue importante.
Figure 3.9 – Emplacements d’ébauche des bassins Pratt à l’amont du point S21 (Jonction Pratt-Cloutier)
3.4.1 Critères de conception
Dans le cadre de l’étude présentée ici, les bassins sont proposés au travers des cours d’eau afin de maximiser le volume emmagasiné et de garantir un contrôle efficace sur les débits rejetés par les bassins. Ainsi, les critères de dimensionnement des bassins utilisés sont les suivants :
— L’accumulation du volume d’eau généré par le débit de crue de récurrence 100 ans doit être permise ;
— Le bassin doit contenir un ou plusieurs ouvrages d’évacuation d’urgence des eaux si un débit de crue d’une récurrence supérieure à 100 ans se présente afin de ne pas présenter un risque majeur en cas de bris pour le centre-ville ;
— Le débit de sortie du bassin doit amener une réduction du débit en ville (point d’intérêt S17) tel que décidé lors de la conception ;
— L’ouvrage de contrôle du débit de sortie du bassin doit être composé de 1 à 3 ponceaux maximum.
3.4.2 Calculs sur les digues
L’utilisation du logiciel ArcGIS et des données LIDAR a permis l’obtention des profils d’élé- vation (avec un pas d’1 m) pour les lignes blanches et noires montrées à la figure 3.9, soit
respectivement les digues des bassins EXP et UL ; grâce à l’utilisation de la fonction Stack Profile disponible dans l’extension "3D Analyst" du logiciel. Ces profils sont utilisés pour le calcul de la longueur de la digue, du volume de la digue, de la hauteur moyenne de la digue, et enfin du coût approximatif de la digue. Les figures 3.10 et 3.11 montrent les profils de l’élévation naturelle du terrain en fonction de la longueur indicative de la digue.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 320 322 324 326 521 Digue préconisée
Longueur indicative de la digue (m)
Elev
ation
(m
)
Figure 3.10 – Profil de l’élévation naturelle du terrain en fonction de la longueur indicative de la digue pour le bassin UL
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 320 322 324 326 579 Digue préconisée
Longueur indicative de la digue (m)
Elev
ation
(m
)
Figure 3.11 – Profil de l’élévation naturelle du terrain en fonction de la longueur indicative de la digue pour le bassin EXP
Elevation de la digue
L’élévation de la digue est directement liée à l’élévation du plan d’eau. Il a été décidé de prendre une revanche de 50 cm pour la construction de la digue, estimée satisfaisante pour garantir la sécurité de l’ouvrage. L’évélation de la digue sera donc plus élevée de 0,5 m par rapport à la ligne de l’eau pour une pluie d’une récurrence 100 ans.
Longueur de digue
La longueur de digue est calculée en ne considérant que les points où l’élévation de la digue est supérieure à l’élévation naturelle du terrain. La formule 3.2 est utilisée pour le calcul de
la longueur de la digue.
Longueur digue=
n
X
i=1
t(i) avec t(i) = 0 si Dif(i) < 0 et t(i) = 1 si Dif(i) > 0 (3.2)
Avec :
Dif(i) = Elevation digue(i) − Elevation terrain naturel(i)
où : i − chaque mètre linéaire du profil
n −le nombre de mètres linéaires dans les données extraites
Volume de digue
Le volume de digue est calculé en ne considérant que les points où l’élévation de la digue est supérieure à l’élévation naturelle du terrain. L’aire de la digue est tout d’abord calculé à chaque mètre linéaire de digue, puis multiplié par ce même mètre linéaire afin d’en obtenir le volume approximatif. Afin de calculer le volume, une pente de 1 : 3 a été retenue à l’aval (côté terrain) et de 1 : 2,5 à l’amont (côté eau), tel qu’EXP l’a utilisé dans son rapport de juillet 2016. Enfin, une largeur de digue de 4 m a été utilisée pour les calculs de volume. La formule de calcul de volume de digue utilisée est l’équation 3.3.
V olume digue=
n
X
i=1
t(i) avec t(i) = 0 si Dif(i) < 0 et t(i) = V olume(i) si Dif(i) > 0
(3.3) Avec :
V olume(i) = L ∗ Dif(i) +Pav∗ Dif(i)
2
2 +
Pam∗ Dif(i)2
2 où : L = 4 m − largeur de la digue
Pav = 3 − Pente aval
Pam= 2,5 − Pente amont
i −chaque mètre linéaire du profil
n −le nombre de mètres linéaires dans les données extraites
Hauteur moyenne de digue
La hauteur moyenne de digue est calculée en sommant l’ensemble des différences entre éléva- tion de la digue et élévation naturelle du terrain, et en la divisant par le nombre de points où l’élévation de la digue est supérieure à l’élévation naturelle du terrain. Cette valeur peut notamment être utile pour les entrepreneurs afin de réaliser une estimation précise du prix des travaux.
Coût de la digue
Le coût de la digue est calculé selon l’équation 3.4.
Cout digue= Cr∗ β+ Cs (3.4)
où : Cb −Coût estimé du remplissage de la digue
β −coefficient de majoration
Cs−coût estimé de la structure de contrôle du débit
Le coefficient de majoration pris est de β = 1,05, basé sur les différentes estimations effectuées par les firmes d’ingénieurs, afin de majorer légèrement l’estimation du coût de remplissage de la digue qui est estimé être assez proche du coût final. Le coût estimé de la structure de contrôle du débit est de Cs = 340 k$, basé sur les différentes estimations effectuées par les
firmes d’ingénieurs.
Le coût de remplissage de la digue est estimé d’après des données recueillies après discussion avec un entrepreneur. Les données utilisées sont confidentielles mais la formule utilisée pour le calcul du coût de la digue est l’équation 3.5.
Cr= n
X
i=1
t(i) avec t(i) = 0 si Dif(i) < 0 et t(i) = Cout(i) si Dif(i) > 0 (3.5)
Avec :
Cout(i) = a ∗ Dif(i)2+ b ∗ Dif(i) + c
où : a − constante, a = 153,96
b −constante, b = 452,04 c −constante, c = 239,28
i −chaque mètre linéaire du profil
n −le nombre de mètres linéaires dans les données extraites
3.4.3 Calculs de la topologie
L’ensemble des calculs sur les terrains (volumes d’emmagasinement et surfaces inondées) ont été réalisés à l’aide des logiciels Google Earth Pro et ArcGIS, suivant les données LIDAR obtenues. Il existe cependant des incertitudes quant au placement des repères.
La fonction utilisée pour l’obtention de données est la fonction Surface-Volume, disponible dans l’extension "3D Analyst" du logiciel ArcMAP. Celle-ci donne le volume d’emmagasine- ment disponible à une élévation donnée selon une zone tracée par l’utilisateur. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 3.8.
Table 3.8 – Volume et surfaces 2D et 3D en fonction de l’élévation pour le bassin de rétention Pratt
Élévation (m) Surface 2D (m2) Surface 3D (m2) Volume (m3)
319,929 0 0 0 320,00 1 1 0 321,00 2 546 2 592 592 322,00 16 516 16 655 9 302 323,00 43 896 44 190 37 474 324,00 105 007 105 623 106 588 324,50 160 907 161 707 173 097 324,75 189 064 189 954 216 808 325,00 217 160 218 140 267 562 325,25 248 961 250 039 325 958 325,50 273 895 275 059 391 387 325,75 297 651 298 897 462 843 326,00 318 500 319 818 539 944
3.4.4 Résultats de la conception préliminaire
A ce stade de la conception, l’objectif est de permettre l’accumulation dans le bassin du volume d’eau généré par le débit de crue de récurrence 100 ans. Le but est dans un premier temps de se rapprocher le plus possible de la limite d’emmagasinement du réservoir sans que celui-ci ne déborde, ce qui est indiqué par le logiciel, et perde ainsi en partie son efficacité, afin d’assurer le meilleur écoulement des eaux possible en sortie du bassin. Le tableau 3.9 détaille les paramètres des bassins conçus préliminairement. Les bassins comportant une étoile (*) sont issus d’interpolation des résultats précédents.
Table 3.9 – Résultats de la conception préliminaire des bassins de rétention UL et EXP Entité Eleveau Elevdigue Ld Vd Hd Coût Sbassin QS17 R
(m) (m) (m) (m3) (m) (k$) (m3) (m3/s) (années) UL 323,25 323,75 272 5 153 1,79 865 49 708 42 56 324,00 324,50 353 8 544 2,03 1 165 106 588 34 26 324,41* 324,91 390 10 948 2,23 1 369 169 148 30 19 324,85 325,35 467 14 047 2,28 1 639 236 285 26 12 324,92* 325,42 474 14 595 2,31 1 685 251 978 25 10 325,25 325,75 503 17 378 2,50 1 914 325 958 23 9 EXP 323,25 323,75 454 9 179 1,94 1 271 95 919 38 39 323,85 324,35 482 13 665 2,41 1 641 160 062 31 20 324,00 324,50 490 14 944 2,52 1 744 180 701 30 19 324,52* 325,02 520 19 893 2,88 2 141 282 989 25 10 324,85 325,35 537 23 462 3,11 2 422 347 902 22 8 325,25 325,75 566 28 265 3,34 2 799 456 826 20 6
où : Eleveau −Élévation de l’eau (m)
Elevdigue−Élévation de la crête de la digue (m)
Ld −Longueur de la digue (m)
Vd −Volume de béton nécessaire à la construction de la digue (m3)
Hd −Hauteur moyenne de digue (m)
Sbassin −Capacité d’emmagasinement maximale du bassin (m3)
QS17 −Débit maximal au point d’intérêt S17 pour un événement de pluie 100 ans
(m3/s)
R −Récurrence de la crue du débit QS17 en centre-ville avec le bassin considéré
(années)
3.4.5 Alternative recommandée sur le ruisseau Pratt amont
Compte tenu du fait qu’il est possible de gérer entièrement la réduction du débit nécessaire sur la branche Pratt amont pour augmenter la sécurité du centre-ville avec le bassin de rétention pour un coût maitrisé, il apparait que le coût du tunnel de déviation et de l’augmentation du stockage de l’eau dans le lac Cotnoir, et la faible efficacité des petites interventions distribuées dans la partie nord du bassin versant représentent des contraintes trop fortes pour que ces possibilités soient recommandées. L’alternative proposée aux différents bénéficiaires de l’étude sur le ruisseau Pratt est donc l’édification d’une des digues dont les calculs préliminaires sont consignés dans le tableau 3.9. Après retour de ces derniers, l’emphase sera mise sur la conception d’une digue définitive. Il est important de noter que le bassin UL constitue une possibilité moins coûteuse par rapport au bassin EXP.
3.4.6 Classe du barrage
Le bassin de rétention imaginé dans le cadre de cette étude est un bassin qui est qualifié de "sec" ; ce qui signifie qu’en dehors d’un événement de pluie, celui-ci n’emmagasine pas d’eau et laisse le ruisseau Pratt amont s’écouler normalement par ses ponceaux d’écoulement. Il n’existe à ce jour pas de réglementation restrictive sur la sécurité d’un tel barrage. Cependant, à des fins d’information, une étude de la classe de cet ouvrage est menée à partir du règlement sur la sécurité des barrages (Éditeur officiel du Québec, 2019) dans cette sous-section afin de mieux appréhender l’aléa que la digue doit être en mesure de gérer.
En effet, la classe du barrage va permettre de déterminer la crue de sécurité du barrage, c’est-à-dire la crue que le barrage, s’il n’est pas qualifié de "sec", doit être en mesure de gérer au maximum car les probabilités indiquent que le risque est non négligeable en cas de confrontation avec cette crue. Pour déterminer celle-ci, un certain nombre de caractéristiques du barrage doivent être déterminés, notamment son type et son classement.
Type de barrage
Compte tenu du fait que les bassins vus précédemment possèdent tous une hauteur d’au moins 2,5 m ainsi qu’une capacité de retenue supérieure à 30 000 m3, les barrages doivent tous être
considérés comme étant à "forte contenance". Ce type de barrage entraîne le fait que celui-ci doive respecter un certain nombre de mesures prévues quant à sa construction.
Indice de vulnérabilité du barrage
L’indice de vulnérabilité V du barrage considéré sera calculé comme indiqué par les annexes II et III du règlement. Le nombre de paramètres à considérer pour le calcul de cet indice est important et ceux-ci sont détaillés ci-dessous.
Pour les paramètres physiques constants Vc :
— Hauteur du barrage : La hauteur du barrage maximale dans les possibilités présentées à la section 3.4 est de 5,3 m pour la digue UL et de 6,0 m pour la digue EXP. Afin de majorer l’indice calculé, il sera considéré un nombre de points calculé par rapport à la hauteur du barrage maximale, soit 6,0 m, ce qui donne 1,2 point ;
— Type de barrage : Le barrage considéré ici sera un barrage en enrochement, qui donne 4 points ;
— Capacité de retenue : Les bassins détaillés ci-haut possèdent tous une capacité égale ou inférieure à 1 000 000 m3, ce qui donne 1 point ;
— Types de terrains de fondation : Les fondations ont été soumise à analyse auprès de la firme EXP. Celles-ci sont de type "Roc", donnant 2 points.
Pour les paramètres variables Vv :
— Âge du barrage : Celui-ci venant d’être construit, son âge est considéré comme étant de 0 ans. 5 points sont accordés car il s’agit d’un barrage en enrochement ;
— Sismicité : La municipalité étant située dans une zone de sismicité moyenne d’après la carte simplifiée de l’aléa sismique de la province de Québec (Ressources naturelles Canada, 2019), elle est considérée comme étant dans une zone de sismicité de type 3, qui donne 2 points ;
— Fiabilité des appareils d’évacuation : Ceux-ci étant neufs, leur fiabilité est considérée comme "Adéquate", donnant 1 point ;
— État du barrage : Celui-ci venant d’être construit, son état est considéré comme "Très bon", donnant également 1 point.
Le calcul de l’indice de vulnérabilité V résulte de la multiplication de la moyenne arithmétique des paramètres physiques constants et de la moyenne arithmétique des paramètres variables. Ainsi, le calcul se fait comme suit :
Indice de conséquences d’une rupture du barrage
L’indice de conséquences C d’une rupture du barrage sera calculé comme indiqué par l’annexe IV du rapport mentionné. Le territoire affecté par le bris du barrage ne concernerait que le secteur centre-ville du territoire de la municipalité, et non le secteur Barnston. Il faut donc considérer un territoire habité en permanence comptant plus de 1 000 et moins de 10 000 habitants ne comportant pas d’infrastructures ou de services d’importance considérable (le centre hospitalier de la municipalité est situé à une élévation bien supérieure à l’élévation que l’eau atteindrait lors d’un bris de barrage). Le niveau des conséquences d’un bris de barrage serait donc "Très important". Ceci implique que :
C= 8
Classe du barrage
Le classement du barrage s’effectue selon la valeur de l’indice P calculé par P = V ∗C, détaillés précédemment. Ainsi, d’après le tableau à l’alinéa 10 du chapitre III du rapport considéré, et compte tenu du fait que P = 4,3 ∗ 8 = 34,4, le barrage peut être considéré comme étant de classe "C".
Bilan
La crue de sécurité à laquelle devrait pouvoir résister le barrage de la branche Pratt amont s’il n’était pas qualifié de "sec", compte tenu du fait que le niveau le plus élevé des conséquences d’une rupture du barrage en période de crue est considéré comme très important, est une crue décamillennale soit une crue 10 000 ans. La classe du barrage (C), assez bonne, permet un nombre et une fréquence des activités de surveillance réduits, avec notamment deux visites de reconnaissance à programmer par année et une inspection à prévoir tous les 5 ans. Cette analyse est donc prise en compte dans la suite de l’étude.
Chapitre 4
Proposition préconisée
4.1
Avis de la ville
Après avoir présenté les propositions détaillées dans le chapitre 3, la ville a émis le souhait de privilégier une proposition s’orientant vers un bassin de rétention situé sur la branche Pratt amont, comme préliminairement calculé dans la section 3.4 ; et plus spécifiquement sur la digue EXP qui, bien qu’elle condamne une plus grande partie de la zone industrielle prévue, inonde moins les terrains voisins, ce que cherche à privilégier la municipalité.
Elle a de plus demandé l’évaluation d’une digue supplémentaire, appelée "Digue tronquée" dans la suite de l’étude, qui permettrait notamment la sauvegarde d’un terrain important pour la zone industrielle. L’emplacement de cette digue est montrée à la figure 4.1. Après de nombreuses itérations de calcul sur la relation débit-emmagasinement du bassin sur le logiciel de modélisation hydrologique, l’élévation minimale de l’eau capable de contenir le volume créé par la rétention d’un débit 100 ans s’est révélée être 324,47 m. Le chapitre va également développer la conception des évacuateurs de crue au cas où la crue serait plus importante. Ainsi, 3 propositions différentes ont été soumises à l’approbation de la ville afin de connaître les préférences de celle-ci et mettre l’emphase sur la proposition à laquelle elle était le plus favorable. Les caractéristiques de ces propositions sont détaillées dans le tableau 4.1.
Table 4.1 – Description des 3 différents scénarios proposés à la ville Scénario Digue Élévation (m) Débit en ville maximal (m3/s)
1 Tronquée 324,47 25,0
2 EXP 324,55 25,0
3 EXP 323,85 32,6
Après discussion avec la ville, l’emphase sera mise sur le scénario 1, qui sera traité dans cette section.
Figure 4.1 – Différence d’implantation entre la digue EXP et la digue tronquée