2 Les barrages mobiles
2.4 Bouchures modernes des barrages mobiles
Les barrages modernes doivent être manoeuvrables mécaniquement et automatisables autant que possible, de façon à limiter le personnel d’entretien et les risques encourus par celui-ci. Ils autorisent également des chutes plus importantes que les anciens barrages, permettant éventuellement de limiter le nombre de biefs et donc d’écluses.
Les possibilités des techniques modernes permettent la réalisation de barrages avec bouchures de grande portée à manœuvre électro-mécanique ou hydraulique fortement automatisés. Les manœuvres des barrages modernes sont précises (ce qui permet de limiter au minimum les variations de flottaison), rapides (effacement de la bouchure en cas de crues en un temps court), sûres (fiables) et beaucoup plus étanches que les anciens systèmes. Ces avantages assurent le maintien de la retenue aussi longtemps que possible, réduisant au minimum les interruptions de navigation et permettant le fonctionnement durant le temps maximum de la centrale hydro-électrique éventuellement accolée au barrage.
En plus des vannes présentées ci-dessous, l’étudiant se référera utilement au rapport du WG26 de l’AIPCN [2] afin d’observer des ouvrages d’art récents et souvent novateurs. 2.4.1 Vanne levante
Il existe différents types de vannes levantes, les glissantes et les roulantes.
Autrefois, les vannes levantes glissantes étaient employées uniquement pour de faibles hauteurs de retenue et de petites largeurs de pertuis.
Les efforts de manœuvre sont proportionnels au frottement de glissement et sont excessifs pour des vannes de grandes dimensions. Du moins jusqu’il y a peu. Grâce à la technologie UHMPE, ce problème a pu être solutionné (voir page 2-32) et les vannes levantes glissantes présentent à nouveau un fort intérêt.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-14 Par le passé, pour des vannes de grandes dimensions, les efforts de manœuvre ne devenaient acceptables que si, à la translation par glissement pur, on substituait une translation par l’intermédiaire de galets de roulement. De là sont nées les vannes levantes
roulantes (ou Stoney). En principe, elles comprennent : un bordage plan ou courbe ;
l’ossature porteuse de ce bordage transmettant par ses abouts spécialement conçus (poutres – sommiers) les actions résultant des pressions hydrostatiques ou hydrodynamiques aux galets de roulement (figure 2.13). Les charges sont ensuite transmises par les galets aux rails de roulement et de là aux maçonneries de l’infrastructure du barrage. Les déplacements de la vanne consécutifs aux manœuvres des mécanismes de levage permettent l’écoulement des forts débits par lame de fond.
Figure 2.13 Vanne levante : schéma de principe
La vanne peut être constituée de deux corps. L’accouplement d’une vanne inférieure levante avec une vanne supérieure (hausse ou clapet) permet un écoulement surverse par abaissement de la vanne supérieure (lorsqu’il s’agit d’assurer l’écoulement des faibles débits) qui s’appuie sur la vanne inférieure et sur le génie civil, puis en sous-verse par le relèvement de l’ensemble des deux vannes (figure 2.14).
Il y a généralement une position de transition pour laquelle on a simultanément les deux types d’écoulements (surverse et sous-verse)
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-15
Sollicitations d’ensemble des vannes levantes
Nous considérions d’abord la vanne en position fermée, puis la vanne en mouvement.
Figure 2.15
Vanne fermée
Considérons une vanne levante munie d’un clapet articulé. La vanne est soumise :
- à l’action de son poids propre Pv entièrement équilibré par la réaction du radier à l’arête inférieure de la vanne ;
- à l’action de la résultante F des pressions hydrostatiques, ou en cas d’écoulement de superficie, des pressions hydrodynamiques. Les calculs et les expériences montrent que tant qu’il n’y a pas écoulement de fond, les pressions hydrodynamiques sur AB diffèrent peu des pressions hydrostatiques ;
- à l’action des efforts transmis par la hausse (F’) ; - aux réactions d’appui R1 + R2 des galets de roulement
Dans les vannes, la plupart des forces sollicitantes ne passent pas par le centre de torsion et donnent naissance à des moments de torsion dans l’ossature. Les bras de levier de ces forces sont cependant limités et les effets de torsion qui en résultent assez faibles.
Quel que soit l’élément étudié (vanne, hausse ou sommier), il y a lieu de prendre en considération le cas de sollicitation le plus défavorable. On considère souvent qu’il n’y a pas d’eau à l’aval, la pleine charge amont agissant ainsi sur le bordage.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-16 Vanne levée
Figure 2.16
Considérons à titre d’exemple une vanne munie d’un clapet articulé sur le sommier. Les calculs doivent porter sur les divers stades de levée. Pour une position levée donnée, l’ensemble de la bouchure est soumis :
- aux poids (Pv, Ps, Ph) ;
- à la résultante des pressions sur le bordage de la vanne ; - à la résultante des pressions sur le bordage de la hausse ; - aux réactions des rails de roulement ;
- aux résistances de frottement de roulement des galets (k R1 + k R2) ;
- aux résistances E au déplacement des dispositifs d’étanchéité. Si par exemple ceux-ci sont constitués par une tôle flexible, garnie d’une fourrure en bois ou en métal frottant contre une pièce en bois scellée dans la maçonnerie, la résistance offerte par un tel dispositif pour une hauteur h0 est ho l f
4
2
ϖ , f étant le coefficient de frottement fourrure-acier et l la longueur de la tôle ;
- aux résistances accidentelles Av : surélévation du niveau d’amont, embâcles de glaces, gel
des étanchéités, coincement d’un galet ; - aux termes d’inertie I.
L’équilibre des forces verticales donne la valeur de l’effort de manœuvre L, soit :
L = Pv + Ph + Ps + (F2)v = k R1 + k R2 + E + Av + I (2-1)
En vue de limiter L, il faut s’efforcer de réduire les poids (ossatures adéquates). Si le bordage est incliné, la force a une composante verticale dirigée vers le haut, diminuant l’effort de levage comme pour les vannes à bordage courbe (figure 2.17)
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-17
Figure 2.17 Vanne levante à bordage courbe
Ossature des vannes principales
Anciennement, deux types de charpente étaient réalisés :
- les ossatures à maîtresses poutres horizontales multiples et bordage correctement raidi ;
- les ossatures à deux maîtresses poutres horizontales avec bordage raidi et constituant en fait une ossature de pont à deux maîtresses poutres qu’on aurait fait pivoter de 90°. Après l’introduction de la construction soudée et l’apparition de la construction en caisson, les ossatures précédentes ont évolué vers une structure tubulaire dans laquelle le bordage joue le rôle de semelle comprimée, la face aval celui de semelle tendue et les parois intermédiaires, celui des âmes assurant la résistance à l’effort tranchant (figure 2.18).
Figure 2.18 Ossatures vannes levantes
Les principes de calcul énoncés à propos des plaques orthotropes sont valables. Généralement toutefois, la portée est beaucoup plus grande que la hauteur de telle sorte que le système se comporte comme une poutre gigantesque dans laquelle on peut étudier en première approximation le flux des tensions normales, de cisaillement et de torsion selon la
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-18 résistance des matériaux. Les faces du caisson sont raidies par des éléments longitudinaux (cornières ou fers T) et transversaux (diaphragmes évidés).
Appuis des vannes levantes
Les vannes levantes se terminent ordinairement à leurs abouts par des poutres sommiers qui transmettent la résultante des pressions par des galets aux rails de roulement et de là aux maçonneries des piles. Il importe de réaliser dans la mesure du possible une transmission isostatique des charges des sommiers aux galets. Dans les transmissions hyperstatiques, la répartition des charges est incertaine. Seule une transmission isostatique faisant au besoin usage de boggies si plus de deux galets sont nécessaires, pallie les incertitudes précédentes et donne une répartition toujours bien définie.
Sous l’action de la pression de l’eau, la vanne fléchit et ses abouts subissent une certaine rotation ; il faut tenir compte de ce fait, lors du réglage du rail de roulement, si on emploie un rail à surface de roulement plane, pour éviter que le galet ne porte que sur l’angle du rail. Dans ces conditions, pour obtenir une transmission correcte des efforts des efforts, on peut avoir recours à :
- un rail à surface de roulement cylindrique ; - un rail articulé verticalement à une embase ;
- des paliers de galets articulés verticalement à la vanne ; - des galets à rotule ou roulement sphérique.
Le problème essentiel et délicat à résoudre est celui de la lubrification. Cette dernière doit être assurée sous eau ; elle est difficile à réaliser.
En plus des galets de roulements principaux, les vannes sont équipées de galets de guidage latéral et de galets de guidage sur la face amont. Pour des efforts spécialement importants, on peut employer des roulements « Stoney ».
Dispositifs assurant l’écoulement superficiel ; vannes levantes doubles
Il existe plusieurs dispositions possibles. La plus courante est une vanne avec hausse basculante ou clapet.
Au lieu de régler le débit de la lame déversante par translation verticale, on peut également le faire par rotation d’une hausse ou d’un clapet autour d’un axe horizontal. Dans le cas d’une ossature classique à maîtresses poutres horizontales, la hausse peut avoir les structures suivantes :
- hausse peu rigide en flexion et torsion exigeant de nombreux points d’articulation sur la vanne ;
- hausse rigide autorisant deux articulations d’extrémités indépendantes de la vanne. Les sollicitations de la hausse et de la vanne sont indépendantes (à part les efforts transmis à l’un et à l’autre par les dispositifs d’étanchéité, qui sont bien définis).
Manœuvre
Les organes de manœuvre doivent être largement dimensionnés, les effets des résistances accidentelles étant difficilement chiffrables ;
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-19 Les vannes sont manœuvrées à leurs deux extrémités par des treuils, par des crémaillères, par des chaînes Galle ou par des câbles ou des vérins. Parfois la vanne est partiellement équilibrée par des contrepoids, afin de réduire les efforts de manœuvre.
Le synchronisme des deux treuils peut être basé sur le principe de l’axe mécanique ou sur celui de l’axe électrique. L’axe mécanique réalise une liaison matérielle entre les deux extrémités de la vanne au moyen d’un arbre de transmission. Cet arbre est commandé par un moteur électrique soit à une de ses extrémités soit à mi-portée si on veut éviter une torsion trop importante.
Dans le cas de l’axe électrique, chaque about de la vanne est commandé par un moteur ; les mouvements des deux moteurs sont synchronisés électriquement. L’axe mécanique nécessite une passerelle de manœuvre ; les organes de l’axe électrique peuvent être logés dans les piles, l’axe électrique présente le désavantage de provoquer le coincement de la vanne lorsqu’il y a défaut de synchronisme entre les deux moteurs de commande. Les vannes supérieures se manoeuvrent par treuils, chaînes galle, crémaillères, câbles ou vérins.
Critique des vannes levantes
- les efforts hydrodynamiques transmis à l’infrastructure par les rails de roulement sont variables en position ;
- leur levée complète exige une superstructure assez importante, désavantage qui doit être pris en compte lorsque la question d’esthétique et de protection des sites joue (figure 2.19);
- les organes de roulement (galets, rails) sont sous eau et, de ce fait, difficiles à entretenir et à réparer ;
- leur manœuvre exige à chaque extrémité un système de levage devant être synchronisé : la manoeuvre unilatérale est exclue.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-20
Technologie UHMPE
Les efforts de manœuvre sont proportionnels au frottement de glissement. Grâce à l’emploi de UHMPE, ils ne sont plus excessifs pour des vannes de grandes dimensions. L’UHMPE (Ultra High Molecular Polyethylene) est un matériau possédant de bonnes propriétés mécaniques (voir tableau ci-dessous). Le polyéthylène de haute qualité peut supporter de plus fortes compressions que le bois (azobé, etc.) employé pour les structures hydrauliques.
Tableau Erreur ! Il n'y a pas de texte répondant à ce style dans ce document.-1 Propriétés de l’UHMPE
Le bois a toujours été un bon matériau employé pour le contact des vannes ou pour la friction entre un bateau et un bajoyer dans une écluse. L’UHMPE incarne aujourd’hui une excellente alternative. Ce matériau a une longue durabilité (ses propriétés mécaniques varient peu avec le temps, le climat, …) et est recyclable. Ce matériau est surtout employé dans les composants de contact des vannes levantes. La figure 2.20 représente la vanne levante du Naviduct Enkhuizen aux Pays-Bas.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-21
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-22 2.4.2 Vanne clapet
Les barrages mobiles munis de vannes clapets font partie de la famille des barrages à vannes métalliques. Ce type de bouchure prend appui sur le radier. Les vannes sont des panneaux obturant la totalité de la hauteur d'eau retenue sur la largeur de passe (figure 2.21). Elles permettent par leur manœuvre de prendre toutes les positions voulues avec une précision centimétrique, et sont facilement automatisables.
Le corps de la vanne se présente sous forme d'un bordé amont plan, raidi par un tube résistant à la torsion pour les petites vannes, et d'un double bordé cylindrique en forme de ventre de poisson pour les vannes plus importantes. Le corps de la vanne est articulé par des charnières ou pivots scellés dans le radier. Il est manœuvré à l'une ou l'autre des extrémités (voire des deux côtés).
Ce type de vanne relativement facile à construire permet éventuellement la navigation au travers du barrage abaissé. Il a comme inconvénient d'avoir des pièces de rotations immergées, donc de nécessiter à chaque fois l'installation d'un batardeau pour la maintenance. De même il favorise l’accumulation des sédiments en amont des vannes. Par contre, elles permettent le passage des corps flottants.
Figure 2.21 Coupe transversale dans un barrage à vanne clapet [1]
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Sollicitations d’un clapet simple à commande mécanique
Soit un clapet plan incliné d’un angle α sur l’horizontale et soumis à l’action d’une pression hydrostatique h.
La résultante maximum F des pressions agissant sur le clapet vaut :
α
ϖ
sin 2 ² h F=La résultante maximum en O vaut
α ϖ α α ϖ ² sin 6 ³ sin 3 * sin 2 ² h h h Mo= = Figure 2.22
Mo croît proportionnellement au cube de h et devient rapidement très grand. Jadis, on
considérait que le système ne convenait que pour des hauteurs inférieures au 1/12 de la largeur de la passe à obturer. De nos jours, la possibilité de réaliser des ossatures de grande raideur permet d’envisager la réalisation de clapets pour des hauteurs proportionnellement plus grandes. Considérons, pour fixer les idées, un clapet articulé en quatre points sur le radier et commandé par deux câbles verticaux. Le clapet en équilibre est soumis à son poids propre P, à la résultante F des pressions hydrostatiques ou hydrodynamiques agissant sur le bordage, aux réactions d’appuis, R1, R2, R3, R4, et à l’effort de manœuvre L. la résultante de
P et F est désignée par R.
Figure 2.23
Si la commande est effectuée à partir des deux côtés, le système comporte 5 inconnues (R1v,
R1h, R2v, R2h et L) et ne peut être résolu que sur la base de 3 équations :
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-24 Il est donc hyperstatique. Il faut faire disparaître fictivement les appuis centraux et y introduire en lieu et place 2 efforts R2 dont les composantes R2v, R2h annuleront les
déformations verticales et horizontales. Assez couramment, les clapets ne sont commandés que d’un seul côté pour des raisons d’économie : la sollicitation est dissymétrique et le clapet est soumis à une torsion très importante. Le problème comporte alors 9 inconnues (R1v, R1h, R2v, R2h, R3v, R3h, R4v, R4h et L) pour 5 équations.
Dans le cas particulier où il n’y a que deux articulations et où la direction de l’effort moteur est verticale, on a les équations suivantes :
Figure 2.24
Le diagramme des moments de torsion à l’allure dissymétrique suivante :
Figure 2.25 Diagramme des moments de torsion
S’il y a plusieurs appuis, dans la section C, la résultante n’est pas R/2 mais est plus petite et dès lors la sollicitation de torsion de la vanne est améliorée.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-25
Ossature des clapets
Les clapets sont soumis à des efforts de flexion et de torsion. Les formes données à leur section transversale tenant compte de ces efforts et des progrès réalisés en construction métalliques ont évolué comme suit (figure 2.26) :
1. bordé en forme d’équerre, raidi, appuyé sur le radier sur de très nombreux appuis, par suite du peu de rigidité à la torsion.
2. bordé plan raidi fixé sur une poutre tubulaire prenant appui sur le radier par des paliers en nombre limité, la poutre tubulaire résistant bien à la torsion.
3. abandon du bordé plan et profilage de façon à lui donner une forme hydrodynamique plus favorable à l’écoulement des eaux : la poutre de torsion ne doit pas nécessairement se trouver à l’axe de rotation.
4. le clapet est constitué par une poutre tubulaire en forme de lentille, dont le bordage fait partie ; le tube de torsion n’est plus nécessaire.
Figure 2.26 Sections transversales clapets
La raideur de l’ensemble est suffisante pour admettre quelques points d’appui sur le radier ; à l’extrême limite, on peut admettre deux appuis.
Critique des vannes clapets
Avantages Inconvénients
Peu coûteuse Torsion importante dans la structure
Régulation fine Mécanismes sous eau
Esthétique correcte (possibilité de « cacher » les vérins)
Retient les sédiments (transport solide) Charge hydraulique sur le radier (bon pour la
stabilité et permet des piles étroites) Sensible aux vibrations Passage facile des corps flottants Sensible à l’abrasion lorsqu’il y a un
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-26 Fiabilité d’ouverture en cas d’erreur de
fonctionnement Difficulté d’alignement, particulièrement avec deux organes de manoeuvre Fonctionnement fiable même si un vérin est
en panne (pour une vanne avec 2 vérins)
En principe pour de petites retenues
Etc. Etc.
2.4.3 Vanne segment
Figure 2.27 Coupe transversale dans un barrage à vanne segment [1]
Ce type de vanne (figure 2.27) est constitué par un bordé amont circulaire raidi par un caisson non étanche maintenu en extrémité par des bras permettant la rotation de l'ensemble autour d'axes scellés dans les piles et situés au centre du cercle du bordé amont. Dans ces conditions, la poussée de l'eau amont et aval a une résultante orientée vers le centre du cercle, donc vers les axes, et la manœuvre est simplement liée au poids de la vanne.
Il existe trois configurations pour les vannes segment. Outre celle présentée à la figure 2.27, qui est une vanne segment avec un clapet déversant (hausse), il existe des vannes segments « simples » ou à corps unique, soit avec bras en compression (fig 2.28a), soit avec bras tendu (fig 2.28 b)
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-27
(a) (b)
Figure 2.28 Vannes segments en une pièce
Cet avantage (diminution des efforts de manœuvre) se transforme en inconvénient dans la mesure où les efforts apportés par l'eau sont concentrés sur les axes de rotation, ce qui n'est pas favorable au fonctionnement mécanique : on génère sur une pièce simultanément des efforts et des mouvements, d'où apparition de matage et d'usure.
Ce type de vanne ne possède pas une structure nécessitant une maintenance en fond de rivière. Il peut y avoir comme inconvénient de réaliser un écoulement par sous verse et de provoquer une érosion du radier à l’aval à cause de l'importance de la vitesse locale de l'eau.
La navigation fluviale n’est jamais possible au travers du barrage.
Figure 2.29
Stabilité – détermination des efforts de manœuvre
a. influence de la position relative de la résultante des pressions et du centre de rotation sur la stabilité d’ensemble et les efforts de manœuvre.
Soit une vanne segment simple de bordage AB pour lequel la résultante des pressions hydrostatiques ou hydrodynamiques est F (Rappelons que si le bordage est circulaire, f est normale au bordage et sa ligne d’action passe par le centre géométrique) ; considérons l’équilibre de cette vanne en supposant respectivement que la ligne d’action de F passe par
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-28 le centre de rotation 0 (cas 1), en dessous de 0 (cas 2) et au-dessus de 0 (cas 3), le poids propre de la vanne est désigné par P, l’effort de levage successivement par L1, L2, L3 ; les
bras de levier des diverses forces par rapport à 0 sont identiques dans les trois cas, à l’exception des bras de levier de F ; les bras de levier sont désignés par δ affecté d’un indice représenté par la force correspondante (figure 2.30)