Fonctionnement hydraulique des barrages mobiles

En période de pénurie (étiage), la gestion coordonnée des ouvrages doit veiller avant tout à une juste répartition des débits disponibles entre les cours d’eau et les canaux. Des mesures d'économie peuvent être exigées auprès de tous les utilisateurs : réduction des captages et des rejets, limitation de la navigation, …

Les réserves d’eau disponibles dans les grands barrages réservoirs (Complexe de l’Eau d'Heure, Eupen, Gileppe) sont utilisées pour soutenir le débit naturel de la Meuse et de la Sambre lorsqu’il est insuffisant. Cette utilisation des réserves doit cependant être raisonnée, les lacs de barrages ne constituent pas des ressources illimitées et doivent pouvoir assumer leurs fonctions propres : eau potable, loisirs, production d'électricité, …

Lorsque le fleuve ou la rivière aménagé entre dans une crue sévère, les barrages au fil de l'eau sont complètement abaissés ou retirés, ils n’ont plus aucune influence sur l'écoulement, et le niveau d’eau ou axe hydraulique reprend une allure naturelle.

Si le débit continue à augmenter, cet axe hydraulique naturel s’élève de plus en plus et des débordements peuvent se produire.

En crue, les barrages réservoirs sont également mis à contribution : ils retiennent une partie du débit en excès et jouent un rôle d’écrêtage des crues. La coordination consiste dans ce cas à écrêter au bon moment et à ne libérer les volumes retenus que lorsque les débits dans les cours d’eau sont à nouveau en baisse, ceci bien entendu dans les limites de sécurité du barrage.

Lorsque le débit est nul ou peu important, l’équilibre instauré par la bouchure est hydrostatique et les pressions se calculent aisément quelle que soit la forme du bordage (figure 2.53).

Figure 2.53 Résultante des pressions hydrostatiques agissant sur le bordage d’une vanne

Si un débit important coule au travers d’un barrage, il convient de déterminer les pressions hydrodynamiques. Les pressions sont modifiées par suite de la mise en vitesse de l’eau. Une approximation de la valeur de ces pressions est obtenue dans les zones à l’amont des bouchures en supposant que dans tous les plans verticaux à l’axe de la vanne, l’écoulement est irrotationnel et on calcule les caractéristiques de cet écoulement par voie graphique ou numérique.

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-50

Effets de la dépression – aération des nappes

Lorsque, en un point du bordage d’une nappe, la vitesse devient importante, la pression relative g V y 2 ²

− peut devenir négative, il y a dépression et dans certains cas extrêmes, risque de cavitation. Ce régime est particulièrement instable et engendre des vibrations dans la vanne et de là, dans les piles et les organes de manœuvre. On évite les dépressions, soit en provoquant le décollement où elles risquent de se produire, soit en aérant correctement la lame.

a) On provoque le décollement de la lame par un changement brusque de courbure de la vanne. Considérons un point A d’une vanne où existe un changement brusque de courbure. Si a et b, parois de la vanne étaient des lignes de courant, e1 et e2 normales

respectivement à a et à b en A seraient des équipotentielles de valeurs différentes. Cela

impliquerait une vitesse infinie en A ( ∆ =0

∆ ∆

= où S

S

V φ ) ce qui n’a aucune

signification physique. En réalité, les lignes de courant se détachent de la vanne en A pour suivre les trajets indiqués sur la figure 2.54.

Figure 2.54

b) Envisageons maintenant une vanne telle que la pression relative en un point B soit proche de zéro. Admettons qu’au voisinage de B, la lame déversante soit aérée, c’est-à- dire que la pression atmosphérique règne en B. Dans ces conditions, la lame se détachera en B, sinon la pression relative aurait tendance à diminuer et à devenir négative, ce qui est incompatible avec les conditions aux limites.

Un des effets défavorables des dépressions est d’augmenter les efforts de manœuvre sur certains types de vannes dont la face inférieure fait un angle trop faible avec le radier du barrage. Les calculs et les essais montrent que le danger de dépression à la partie inférieure du bordage des vannes existe quand l’angle du bordage avec le radier est trop faible (vannes cylindriques, par exemple). Ce fait s’explique comme suit : le réseau d’écoulement des vannes dont le bordage est tangent à l’horizontale ou la coupe sous un angle faible est composé de carrés assez petits sur une zone assez importante, au voisinage de l’horizontale ; dans l’étendue de cette zone, les vitesses sont très grandes et la pression théorique voisine de zéro d’où dépression ou danger de dépression ; au contraire un bordage coupant l’horizontale sous un angle suffisamment grand donne naissance à un réseau d’écoulement moins dense et

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-51 s’évasant très rapidement d’où vitesses très fortes uniquement au droit de l’arête inférieure. En pratique, l’angle d’attaque minimum est de l’ordre de 50°.

Pour diminuer les effets de fatigue engendrés par les vibrations, il faut faire en sorte que les vibrations n’apparaissent que pour des épaisseurs de lames peu courantes. Pour ce faire, il convient, dès que l’on constate des vibrations fréquentes, de modifier légèrement soit la structure par l’adjonction de masses métalliques qui en modifient l’inertie, soit la lame déversante : ceci permet de reporter les vibrations sur d’autres positions des vannes.

Fonctionnement hydraulique des barrages mobiles

Le but du barrage est, rappelons-le, de maintenir constante une flottaison amont quel que soit le débit. Pour ce faire, la vanne doit s’effacer plus ou moins en fonction de ce débit. Le problème qui se pose donc est de savoir de quelle manière la vanne doit se déplacer.

Figure 2.55

Pour résoudre ce problème, supposons que le barrage mobile comporte une pièce supérieure basculante et une partie inférieure levante (figure 2.55). Il faut commencer par estimer la capacité d’évacuation de la vanne seule, extraite de son contexte fluvial. L’écoulement peut se produire de trois manières : en déversoir, en déversoir et en lame de fond et en lame de fond seule en fonction de la position du groupe vanne inférieure – vanne supérieure. C’est par essais sur modèles que l’on résout le plus aisément ce problème. Il n’est pas nécessaire dans une première phase de construire un modèle de tout le barrage mais seulement le modèle d’une seule passe à une échelle pas trop petite (par exemple 1/25). On en déduit sans peine le comportement de tout l’ouvrage.

Ainsi pour le barrage d’Ampsin-Neuville [7], on trouve pour l’écoulement en déversoir le résultat ci-après (figure 2.56). En pratique, on considère donc que le niveau amont est constant et que lorsque le débit qui arrive augmente, la vanne se baisse petit à petit. Ce faisant, elle permet de garder un niveau amont constant. La hauteur h d’écoulement de surface au-dessus de la vanne est liée au débit qui passe par la formule :

Q = µ . beff . h . 2gh (2-5)

Les différents paramètres intervenant dans cette formule sont les suivants : • µ = coefficient d’écoulement, propre à un déversoir

• beff = largeur efficace de la passe, dépendant de la largeur et de la forme des piles

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-52 Comme dit ci-dessus, la prise en compte de l’influence des piles conduit à calculer une largeur efficace de passe. L’écoulement sur le déversoir est contraint de se diviser au niveau des piles, ce qui provoque une séparation à la paroi de celles-ci (figure 2.56).

Figure 2.56

Soit B, la largeur géométrique entre deux piles, la largeur efficace Be est donnée par : H

K B

B_e= −2 _p (2-6)

où Kp est le coefficient de contraction latérale. Ce coefficient est fonction de la forme et de la

disposition de la pile par rapport au déversoir (figure 2.57).

Figure 2.57

Figure 2.58

Pour l’écoulement mixte et par lame de fond seule, on obtient le résultat suivant (figure 2.59) :

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-53 Les résultats expérimentaux n’ont pas tenu compte des réactions du fleuve : les ouvrages étudiés ont été extraits de leur contexte naturel et c’est ainsi que les techniciens ont pu faire varier le débit en fonction de la position du niveau aval. En consultant la figure 2.59, on constate que, théoriquement, il y aurait une infinité de possibilités de réaliser un débit donné par une judicieuse combinaison de A et de haval. En fait, haval n’est pas libre mais fixé

par les conditions du bief aval, c’est-à-dire par le barrage établi à l’aval de ce bief. Les positions de fonctionnement d’un barrage déterminé sont donc non seulement régies par les courbes que nous évoquons, mais aussi par la courbe limnimétrique des débits dans la section située immédiatement à l’aval du barrage.

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-54 Dès lors, pour déterminer les positions en question, on établit ensuite la courbe limnimétrique des débits à l’aval du barrage. Ce calcul impose l’établissement des lignes d’eau dans la rivière à partir de l’ouvrage d’aval en remontant de ce dernier vers l’amont. Ces lignes d’eau dépendent évidemment de la rugosité de la rivière et par conséquent, il en est de même de la courbe limnimétrique. Dans ce cas précis, la courbe se présente comme sur la figure 2.60.

Figure 2.60

La superposition des deux courbes donne les positions de fonctionnement du barrage. On obtient alors les points représentatifs du fonctionnement de l’ouvrage de Neuville (figure 2.61).

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-55

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-56