Étude de stabilité d’un barrage en terre

Université Mohamed Seddik BENYAHIA – Jijel Faculté des Sciences et de la Technologie Département Génie civil et hydraulique

Mémoire de Fin d’Etudes

En vue de l’Obtention du Diplôme De Master Académique

Filière : Génie civil

Option : Géotechnique

Thème :

Étude de stabilité d’un barrage en terre

Présenté par :

» Aimene Oussama » Boutemine Aissam

Promotion 2020 

Composition du Jury :

Laamara.M MAA, université Mohamed Seddik Ben-yahia, Jijel, Présidente du jury Boutaba.KH MCB, université Mohamed Seddik Ben-yahia, Jijel, Directeur de mémoire Belaabed Fares MAA, université Mohamed Seddik Ben-yahia, Jijel, Membre du Jury

I

Remercîments

Je remercie Dieu tout puissant pour la volonté, la santé et la patience qu’il ma donnée durant tous ces années d’étude.

En premier lieu j’exprime ma profonde reconnaissance et mes sincères remerciements à mon Directeur de mémoire, Monsieur Belaabed Fares, Docteur, Maître de conférences, Université Mohammed Seddik Ben Yahia, Jijel, qui n’a ménagé aucun effort pour réaliser ce travail, par ces conseils attentifs et critiques précieuses.

Je voudrais remercie le Docteur Laamara.M, d’avoir accepté de présider le Jury, je lui en est très reconnaissant.

Je remercie également le Docteur Boutaba.kh et le Docteur Mekssaouine Mohamed d’avoir accepté d’examiner ce travail et pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce mémoire.

Finalement, je n’oublierai sans doute pas de remercier mes amis, collègues, enseignants, administrateurs et travailleurs de département de génie civil et hydraulique.

II

Dédicace

Pour celle qui n’est pas assez les mots pour la remercier Pour la plus belle femme dans ma vie

Pour ma mère Et

A mon support et m’a dirigé dans ma vie, Pour mon père

Que Allah prolonge tes vies et vous protégés Merci à veux deux le nombre d’étoiles dans le ciel

Et les gouttelettes d’eau dans la terre Et le nombre des papiers d’arbres

Pour celles qui j’ai partagé avec eux mon enfance Mes souvenirs et ma vie

Pour mes frères Pour tous ma famille

Pour tous mes amies spécialement les personnes de lkhima, camping, et collège de promo génie civil 2020

Pour mes amies et mes compagnon de logement ¤Amir ¤ et ¤ Ibrahim ¤ et tout l’équipe Et mon cher ami ¤ Walid ¤¤ houssem ¤¤Ramzi ¤ et ¤ Dba3 ¤

Et tous personnes qui je sais.

J’espère que Allah accepté ce petite projet dans la balance des nous avantages

ةلاصلاو ملاسلاو ىلع بيبحلا دمحم دمحلاو هلل بر نيملاعلا

OUSSAMA

III

Dédicace

Pour celle qui n’est pas assez les mots pour la remercier Pour la plus belle femme dans ma vie

Pour ma mère Et

A mon support et m’a dirigé dans ma vie, Pour mon père

Que Allah prolonge tes vies et vous protégés Merci à veux deux le nombre d’étoiles dans le ciel

Et les gouttelettes d’eau dans la terre Et le nombre des papiers d’arbres

Pour celles qui j’ai partagé avec eux mon enfance Mes souvenirs et ma vie

Pour mes frères Pour tous ma famille

Pour tous mes amies spécialement les amies de camping, mes collèges de promotion ENSTP 2016 et promotion génie civil 2020 mon

Pour mes amies et mes compagnons de mon cartier Et mon cher amies ¤ Oussama dba3¤

Et tous personnes qui je sais.

J’espère que Allah accepté ce petite projet dans la balance Des nous avantages

ةلاصلاو ملاسلاو ىلع بيبحلا دمحم دمحلاو هلل بر نيملاعلا

AISSAM

IV Remercîments ... I Dédicace ... II Dédicace ... III Sommaire ... IV Liste de notation ... VIII Abréviations ... X Liste des figures ... XI Liste des tableaux ... XIII Introduction général ... XV

Chapitre I……….1

I-1- Introduction ... 1

I-2- Histoire et développement des barrages ... 1

I-3- Définition ... 2

I-4- Utilité des barrages ... 2

I-5- Technique de construction ... 4

I-6- Différents types de barrage ... 4

I-6-1 Barrage en béton ... 5

I-6-1-1- Barrage-voûte ... 6

I-6-1-2- Barrages à contreforts ... 7

I-6-1-3- Barrages poids ... 9

I-6-2 Les barrages en remblai ... 10

I-6-2-1 Barrage en terre ... 11

I-6-2-2 Les barrages en enrochement ... 13

I-7- Choix du site et du type de barrage ... 14

I-7-1- Etudes topographiques ... 15

I-7-2- Quelques études géologiques et géotechniques et hydrauliques ... 15

I-7-2-1- Etudes géologiques et géotechniques d’APS (Avant-Projet Sommaire) ... 16

I-7-2-2- Etudes géologiques et géotechniques d’APD (Avant-Projet Détaillée) ... 18

I-7-2-3- Etudes hydrauliques ... 18

V

II-1- Introduction ... 20

II-2- Profil général du barrage ... 20

II-3- Définitions sur les glissements de terrain ... 20

II-4- Rupture dans un barrage en terre ... 23

II-4-1- Les causes de rupture ... 23

II-4-1-1- Rupture par renard ... 23

II-4-1-2- Rupture par glissement ... 24

II-4-1-3- Rupture par surverse (submersion) ... 25

II-4-1-3- Rupture par tassement ... 26

II-5- Cas d’étude de la stabilité des barrages en terre ... 27

II-6- Notion du coefficient de sécurité ... 28

II-7- Choix de la valeur du coefficient de sécurité dans le calcul de stabilité ... 28

II-8- Méthodes de calculs ... 29

II-8-1- Les méthodes de calculs manuels ... 30

II-8-1-1- Méthode globale ... 30

II-8-1-2- Méthodes des tranches ... 31

II-8-1-3- Méthode de Fellenius (1927) ... 33

II-8-1-4- Méthode de Bishop ... 34

II-8-1-5- Méthode de bishop simplifiée (1955) ... 36

II-8-2- Les méthodes numériques ... 37

II-8-2-1- La méthode des éléments finis ... 37

II-8-2-2- La méthode des différences finies ... 37

II-9- Conclusion ……….………..37

Chapitre III………...……….38

III-1- Introduction ... 38

III-2- Etude topographique ... 38

III-2-1- Situation géographique de la zone d’étude ... 38

III-2-2- L’objectif du projet ... 39

III-2-3- Choix de l'axe de la retenue collinaire ... 39

III-3- Etude géologique et étude géotechnique ... 39

III-3-1- Introduction ... 39

VI

III-3-2-2- Géologie et hydrogéologie du bassin versant ... 41

III-3-2-3- Géologie et hydrogéologie de la cuvette ... 42

III-3-2-4- Géologie et hydrogéologie de la zone d’emprise de la digue ... 43

III-3-2-5- Géologie et hydrogéologie de la fondation la digue et ses ouvrages annexes 43 III-3-2-6- Sismicité de la région d’étude ... 44

III-3-3- géotechnique ... 44

III-3-3-1- Prospection géotechnique de terrain ... 44

III-3-3-2- Prospection géotechnique de laboratoire ... 44

III-3-3-3- Résultat géotechnique de terrain, laboratoire et leur interprétation ... 45

III-3-3-3-1- Terrains d’assise et de fondation de la digue ... 45

III-3-3-3-2- Matériaux de construction de la digue ... 46

III-3-3-3-2-1- Matériaux d’étanchéité ... 46

III-3-3-3-2-2- Matériaux d’enrochement (R i p – R a p) ... 47

III-3-3-3-2-3- Matériaux pour filtres, transitions et drains ... 47

III-3-3-4-Caractéristiques géotechniques proposées pour le calcul de stabilité de la digue ... 47

III-3-3-4-1- Terrains de fondation de la digue ... 47

III-3-3-4-2- Remblai de la digue (argile) ... 48

III-4- Etude hydrologique ... 48

III-4-1- Description du bassin versant ... 48

III-4-2- Caractéristiques climatiques du bassin versant ... 51

III-4-2-1- Température ... 52

III-4-2-2- Humidité de l'air ... 52

III-4-2-3- Vitesse du vent ... 53

III-4-2-4- Pluviométrie ... 54

III-4-3- Etudes des apports ... 54

III-4-4- Etude des crues ... 55

III-4-4-1- Etude des apports solides ... 55

III-4-4-2- Analyse et synthèse de l'étude du laminage des crues ... 56

III-5- Conclusion ... 57

VII

Chapitre IV………59

IV-1- Introduction: ... 59

IV-2- Dimensionnement de la digue (homogène en argile) ... 59

IV-2-1- Calcul des différents niveaux d’eau : ... 59

IV-2-2- Longueur en crête ... 62

IV-2-3- Pente des talus ... 62

IV-2-4- Protection des talus ... 63

IV-3- La clé d’étanchéité ... 64

IV-4- Le dispositif de drainage du remblai ... 65

IV-4-1- Le drain vertical ... 65

IV-4-2- Le tapis drainant sous le talus aval ... 65

IV-4-3- Le prisme de drainages ... 66

IV-5- Calcul des filtres ... 66

IV-5-1- Règles des filtres ... 66

IV-5-2- Détermination de la courbe granulométrique des filtres ... 67

IV-5-3- Vérification de l’absence de renard dans le sol des filtres ... 68

IV-5-4- Conclusion ... 69

IV-6- Calcul des infiltrations à travers la digue et la fondation ... 69

IV-6-1- Tracer de la ligne de saturation : ... 70

IV-6-2- Calcul du débit d’infiltration (débit de fuite) ... 72

IV-6-3- Vérification de la résistance d’infiltration du sol du barrage ... 73

IV-7- Calcul de stabilité ... 73

IV-7-1- Conséquences de l’instabilité des talus ... 74

IV-7-2- Ordre de calcul ... 74

IV-7-3- Les caractéristiques géotechniques des sols ... 75

IV-7-4- Calcul des forces appliquées à chaque tranche ... 76

IV-7-5- Classement des forces ... 77

IV-7-6- Calcul du coefficient de sécurité pour les différents types de fonctionnement ... 78

IV-8- Conclusion ... 80

Conclusion général ... 81

Référence bibliographie ... 82

VIII

VIII

Liste des notations

Symbole Désignation Unité

Wn Teneur en eau naturelle %

HdR Hauteur du prisme de drainage m

bcr la l argeur en crête m

Hd Charge déversée m

Lb largueur transversal du barrage m

Hb La hauteur de la retenue collinaire m

t tassement de la crête du barrage m

U pression interstitielle Kpa

Φ Angle de frottement °

C Cohésion du sol considéré. bar

γw poids volumique de l’eau t/ m³

a Coefficient de séisme (a=0,13) cnst

Iadm gradient hydraulique admissible. _

A section d’infiltration par unité de longueur. _

qn débit d’infiltration m³/s/ml

Lcr longueur de couronnement du barrage m

e épaisseur m

KF Coefficient de perméabilité du filtre m/s

D15 Diamètre du sol protégeant mm

d15 Diamètre du sol à protéger mm

K Coefficient d’infiltration du sol protégé m/s

 Coefficient d’hétérogénéité du sol du filtre cnst

n Porosité du sol en fonction d’unité cnst

et L’épaisseur du tapis m

Ld longueur du drain tapis m

V volume de la retenue Mm³

edr Epaisseur du drain m

Hdr Hauteur du drain m

R La revanche m

t Hauteur libre de sécurité (tassement) m

IX

Vmort volume mort m³

H0 la charge au-dessus du déversoir m

F la longueur du Fetch Km

H hauteur du barrage m

R la lame d’eau écoulée mm

Ta taux d’abrasion T/km²/an

t la durée de vie de la retenue (t= 10 ans) ans

A0 l'apport moyen hm³

Sr Degré de saturation %

Øu Angle de frottement total °

Cu Cohésion totale KN/m²

WL Limite de liquidité %

Ip Indice d’élasticité %

γdopt Densité sèche optimale T/m³

Wopt Teneur en eau optimale %

d Densité sèche T/m³

H0 épaisseur initiale de la couche compressible m

Cc indice de compression _

e0 indice des vides initial _

W Le poids des terres kg

FS le coefficient de sécurité _

σ Contrainte normale totale pa

τ contrainte tangentielle pa

δn épaisseur de la clé d’étanchéiste m

γP poids spécifique des matériaux d’enrochement g/cm²

VNNR Volume correspondant hm³

Q 1% Crue Centennale naturelle m³/s

QL 1% Crue Centennale laminée m³/s

PHE 1% Niveau des plus hautes eaux m N.G.A

VPHE 1% Volume correspondant hm³

bcr la l argeur en crête m

X

Abréviations

NNR : Cote au Niveau Normale de la Retenue.

NPHE : Cote au Niveau de Plus Hautes Eaux.

NVM : Cote au Niveau de Volume Mort.

MATHE : Bureau d’étude Moyens d’Applications et Techniques de l'Hydraulique et de l’Environnement.

CIGB : La Commission Internationale des Grands Barrages NCR : Niveau (ou cote) de la crête

USCS : unified soil classification system

ANRH : Agence Nationale des Ressources Hydrique.

ONM : Office National de la Météorologie.

BCR : barrage en béton en compacté au rouleau.

BCV : barrage poids en béton conventionnel vibré.

XI

Liste des figures

Chapitre I : Généralistes sur les barrages

Figure I.1 : le barrage de katse-l’Afrique du sud [15] ... 2

Figure I.2 : les utilisations des barrages [15] ... 4

Figure I.3 : les différents types des barrages [15] ... 5

Figure I.4 : Les différents types de barrage en béton [15] ... 6

Figure I.5 : Barrage voûte [15] ... 6

Figure I.6 : Différents types de barrages à contreforts [15] ... 7

Figure I.7 : Barrage contreforts [15] ... 8

Figure I.8 : Barrage poids [15] ... 10

Figure I.9 : Catégories des barrages en remblai [15] ... 11

Figure I.10 : Barrage homogène [15] ... 12

Figure I.11 : barrage à noyau central et incliné [15] ... 12

Figure I.12 : Barrage à masque amont [15] ... Erreur ! Signet non défini.3 Figure I.13 : Barrage en enrochement [15] ... Erreur ! Signet non défini.4 Figure I.14 : Schéma d’un bassin versant [15] ... Erreur ! Signet non défini.5 Figure I.15 : Caisses de carottes [15] ... Erreur ! Signet non défini.6 Figure I.16 : Granulométrie des matériaux constituée dans les barrages [15] .. Erreur ! Signet non défini.7 Chapitre II : Stabilité des barrages en terre au glissement FIGURE II.1:CARACTERISTIQUES DE LA CAPACITE D’UNE RETENUE ... 21

FIGURE II.2:RUPTURE PAR RENARD ... 24

FIGURE II.3:TYPE DE GLISSEMENTS : A) PLAN, B) ROTATIONNEL SIMPLE, C) COMPLEXE ... 25

FIGURE II.4:RUPTURE PAR SURVERSE ... 26

FIGURE II.5:TASSEMENT DES FONDATIONS. ... 27

FIGURE II.6:DIGUES ET BARRAGES EN TERRE ... 27

FIGURE II.7:DIFFERENTES FORCES AGISSANTES SUR UNE MASSE EN MOUVEMENT. ... 31

XII

FIGURE II.10:EQUILIBRE D’UNE TRANCHE DE SOL. ... 33

FIGURE II.11:METHODE DE BISHOP. ... 35

Figure II. 12: Equilibre d’une tranche de sol. ... 36

Chapitre III : Révision des données naturelles Figure III.1 : Site de la retenue collinaire... 38

Figure III.2 : Carte géologique régionale. ... 41

Figure III.3 : Bassin versant de la retenue collinaire El Biar. ... 49

Figure III.4 : Courbe hypsométrique du bassin versant ... 49

Figure III.5 : Hypsométrie du bassin versant de la retenue collinaire El Biar. .. Erreur ! Signet non défini.0 Figure III.6 : Répartition moyenne mensuelle des températures ... 52

Figure III.7 : Répartition mensuelle de l'humidité relative. ... 53

Figure III.8 : Répartition mensuelle des vents station Ain El bey Période (1990-1999). ... 53

Figure III.9 : Répartition moyennes mensuelles des pluies. ... 54

Figure III.10 : Courbes caractéristiques de la retenu ... 57

Chapitre IV : Conception et stabilité de l’ouvrage Figure IV.1 : Clé d’étanchéité du barrage ... 64

Figure IV.2 : Calcul les infiltrations a travers le corps de la digue ... 71

Figure IV.3 : Schéma de calcul de stabilité ... 79

XIII

Chapitre I : Généralistes sur les barrages

Tableau I. 1: Les principaux rôles des barrages. ... Erreur ! Signet non défini.

Tableau I. 2: Les avantages et les inconvénients des barrages voûtes ... 7

Tableau I. 3: Les avantages et les inconvénients des barrages à contreforts... 9

Tableau I. 4: Les avantages et les inconvénients des barrages poidsErreur ! Signet non défini. Tableau I. 5: Les avantages et les inconvénients des barrages en enrochement noyauErreur ! Signet non défini. Chapitre II : Stabilité des barrages en terre au glissement Tableau II. 1: Les différentes valeurs de Fs acceptable. ... 29

Chapitre III : Révision des données naturelles Tableau III. 1: Caractéristique géotechnique du terrain de fondation de la digue ... 47

Tableau III. 2 : Caractéristique géotechnique du remblai de la digue ... 48

Tableau III. 3: Principales caractéristiques morphologiques du bassin versant ... 51

Tableau III. 4: Station pluviométrique ... 51

Tableau III. 5: Températures moyennes à Constantine (période 1990-2005) ... 52

Tableau III. 6: Humidité moyenne mensuelle à Constantine ... 52

Tableau III. 7: Répartition mensuelle de la vitesse moyenne du vent (1990-1999) ... 53

Tableau III. 8: Répartition mensuelle des pluies (mm) (1984-2009). ... 54

Tableau III. 9: Récapitulatif des apports. ... 54

Tableau III. 10: Les apports de différentes fréquences. ... 55

Tableau III. 11: Récapitulatif des résultats de débit de crue. ... 55

Tableau III. 12 : Les résultats de l’étude du laminage ... 56

Chapitre IV : Conception et stabilité de l’ouvrage Tableau IV. 1: Récapitulatif des résultats de la largeur en crête ... 61

XIV

Tableau IV. 4: Valeur de C ... 64

Tableau IV. 5: Les valeurs du coefficient C :... 65

Tableau IV. 6: Les coordonnées de la parabole ... 71

Tableau IV. 7: Gradient hydraulique admissible... 73

Tableau IV. 8: (K1-K2) en fonction des pentes des talus ... 74

Tableau IV. 9: Les caractéristiques géotechniques des sols ... 75

Tableau IV. 10: Coefficient de sécurité pour différents cas de fonctionnement ... 79

+

XV

Introduction générale

L'eau est une ressource rare et précieuse, indispensable pour tout développement économique à savoir agricole ou industriel, c’est la source de la vie, sa demande est en croissance permanente.

Pour satisfaire cette demande en eau, on a recourus à la mobilisation en eau par la réalisation des ouvrages hydrauliques à savoir les barrages et les retenues collinaires.

Une retenue collinaire est un ouvrage d’art construit à travers un cours d’eau pour retenir l'eau par la création d’un lac artificiel. Les retenues collinaires existent probablement depuis la préhistoire (réserve d'eau potable, d'irrigation, viviers, piscicultures).

Le projet de la retenue collinaire comporte deux éléments, la digue et les ouvrages annexes, Ces derniers nécessaires à la protection et à l'exploitation de la retenue collinaire, ils se composent de la dérivation provisoire, d'évacuateur de crues, l'ouvrage de prise d'eau et l'ouvrage de vidange de fond.

Dans notre cas, nous avons traité l’étude de conception et stabilité d’une retenue collinaire de El Biar sur Chaabet El Hamma, dans la région de Beni Hamidène - Willaya de Constantine.

Le choix de cette dernière dépend essentiellement des facteurs suivants : Le débit, la durée de fonctionnement, la topographie, la géologie, géotechnique ; Ces facteurs aboutissent à l’implantation de la digue le plus favorable.

Notre étude comporte d’abord le mémoire de synthèse qui contient le résumé d’étude préliminaire de faisabilité qui est déjà réalisée par un bureau d’étude Algérien - Bureau d’étude Moyens d’Applications et Techniques de l'Hydraulique et de l’Environnement M.A.T.H.E (étude topographique, étude géographique, étude géologique, étude géotechnique et étude hydrologique), la dernière partie se rapporte sur une étude détaillée du dimensionnement de la digue de retenue collinaire (dimensionnement hydraulique : calcul des différentes niveau d’eau , longueur en crête, pente des talus, protection des talus, la clé d’étanchéité , le dispositif de drainage du remblai,……). Enfin, pour s’assurer de la pérennité de l’ouvrage, une étude de stabilité et du comportement mécanique est prévue ; la méthode utilisée est celle de méthode grapho-analytique afin de vérifier la stabilité de la digue.

1

I-1- Introduction :

Les barrages furent construits afin de répondre aux besoins en approvisionnement en eau potable, pour l'irrigation, pour la production de l’énergie électrique, ainsi que pour d’autres besoins d’ordre secondaires. Avec le développement de mode de vie, les besoins en eau se sont accentués et sont devenus plus importants. Ceci a incité les décideurs du domaine de l’eau de mobiliser une grande partie des ressources hydriques. L’essentiel de cette mobilisation a été assuré par le biais des barrages réservoirs.

Ce chapitre est consacré à citer les différents types des barrages selon les matériaux de construction leur forme, les avantages et les inconvénients de chacun, et enfin nous allons parler les principaux paramètres de choix du site et du type de barrage.

I-2- Histoire et développement des barrages :

Si on prend en compte l’histoire seulement pour rester loin de toutes les autres considérations il sera difficile de dire qu’est le premier barrage au monde, mais l’histoire indique que les plus anciens barrages sont situés en :

- Jordanie : situé à Jawa c’est l’un des anciens barrages en remblai 4000 ans avant JC avec une hauteur de 5 m.

- Egypte : construit pour dériver l’eau de Wadi Garawi afin de bâtir la ville de Memphis depuis 3000 ans avant JC, caractérisé par un volume de 500000 m³ et une hauteur près de 14 m.

- Grèce : le besoin de grandes quantités d’eau à pousser Hercule à construire un barrage environ 1260 ans avant JC à travers une rivière pour nettoyer les écuries d’Augias.

À cause de la demande grossissante et le besoin urgent de l’énergie électrique, l’eau à différentes utilisation et l’aide de l’apparition du ciment et les techniques avancées et les engins on a construit des géants barrages en béton (1500 barrage) plus de 300 m de hauteur, les barrages connaissaient un grand développement dans le monde entier (totalement 36500 barrage). [5, 17, 18, 19 et 20]

- Statistiques sur les barrages en Algérie : actuellement le secteur des ressources en eau compte 80 barrages de grande et moyen envergures avec une capacité de 8,6 milliards de mètres cubes.

 15 barrages de région Ouest (Djorf torba, Beni Bahdel, guergar, sikkak, Bentaiba…).

 17 barrages de la région de Cheliff (Oued el Fedda, Sidi yaakoub,…).

2

 La région Centre avec ces 18 barrages (Keddara, Taksebt, koudiet Asserdoun…).

 30 barrages de l’Est (Beni Haroun, Timgad, Tichy,…).

Le gouvernement entend faire passer à 140 le nombre total de barrages en Algérie d’ici 2030, et, ce faisant, atteindre une capacité de stockage de près de 12 milliards de mètres cubes sur l’ensemble du pays. Outre l’augmentation de la capacité des barrages, l’Algérie s’est également attelée à développer sa production d’eau potable à partir de l’eau de mer et plusieurs usines de dessalement construites depuis 2000, permettent d’approvisionner la population en eau douce à partir de l’eau de mer de la méditerranée.

I-3- Définition :

Un barrage est un ouvrage artificiel coupant le lit d’un cours d’eau et servant soit à en assurer la régulation soit à pourvoir à l’alimentation de ville ou à l’irrigation de culture, ou bien à produire de l’énergie [1]. Ils sont considérés comme des ouvrages hydrauliques qui barrent sur toute la largeur une section de vallée et créent ainsi une cuvette artificielle géologique étanche. [2]

Figure I.1 : le barrage de katse-l’Afrique du sud [15]

I-4- Utilité des barrages :

Les barrages jouent deux rôles principaux celui d’une part de stocker les apports d’eau afin de répondre aux besoins vitaux et économiques des populations (eau potable, irrigation, fourniture d’énergie, navigation), et celui d’autre part, de protection contre des effets destructeurs de l’eau (maitrise des crues, rétention de sédiments, protection contre les

3 avalanches). D’autres fonctions assurées par les barrages sont présentées dans le (Tableau I.1).

Tableau I.1 : Les principaux rôles des barrages. [10, 20 et 21]

Eau élément vital Stockage de l’eau

Eau élément destructeur Ouvrages de protection - Production d’énergie électrique.

- Approvisionnement en eau potable et industrielle, protection incendie.

- Irrigation.

- Pèche, pisciculture (élément, économique essentiel dans certains pays).

- Soutient d’étiage (garantie d’un débit minimal).

- Navigation fluviale (garantie d’un tirant d’eau minimal.

- Bassin de rétention contre les crues (inondation, érosion).

- Digue de protection contre les crues.

- Bassin de rétention de sédiments charriés.

- Ouvrage de protection contre les avalanches.

- Régulation des lacs.

- Rétention des glaces en pays nordiques.

Certains de ces objectifs peuvent être complémentaires sur un même ouvrage. D’autres sont, à priori, opposés : il est, par exemple, impossible d’avoir en même temps une retenue pleine pour fournir une réserve d’eau potable mais aussi un retenue vide pour limiter au maximum l’impact des crues. Notamment, les barrages excréteurs de crue sont des ouvrages conçus spécialement à cette fin avec des dispositions particulières de conception et d’exploitation. [10].

4 Figure I.2 : les utilisations des barrages [15]

I-5- Technique de construction :

Un barrage soumis à plusieurs forces. Les plus significatives sont :

 La poussé hydrostatique exercée par l’eau sur son parement exposé à la retenue d’eau.

 Les sous pression (poussée d’Archimède), exercées par l’eau percolent dans le corps du barrage ou la fondation.

 Les éventuelles forces causées par accélération sismique.

Pour résistera ces forces deux stratégies sont utilisées :

- Construire un ouvrage suffisamment massif pour résister par son simple poids, qu’il soit rigide (barrage poids en béton) ou souple (barrage en remblai).

- Construire un barrage capable de reporter ces efforts vers des rives ou une fondation rocheuse résistante (barrage voute, barrage à voutes multiples….). [16]

I-6- Différents types de barrage :

Les techniques de la fin du XIXème et du début du XXème siècle ne permettaient pas l’édification de retenues de grande capacité. L’amélioration des techniques et des bétons dans le premier quart du XXème siècle permet d’envisager la réalisation de retenues plus conséquentes, capables de réguler la production hydro-électrique. La géologie (nature des roches sur lesquelles sera édifié le barrage, les matériaux disponibles sur le site) et la topographie (largeur de la vallée), déterminent le type de barrage à projeter. [4]

Les barrages peuvent être classés en deux groupes :

5

 Les barrages rigides, en béton ou en maçonnerie.

 Les barrages souples, en enrochement ou en terre.

Les premiers font l'objet de nombreuses méthodes de calcul basées sur la résistance des matériaux et la théorie de l'élasticité notamment.

Les seconds, et surtout les barrages en terre, sont un des principaux champs d'application de la mécanique des sols. [3]

Figure I.3 : les différents types des barrages [15]

I-6-1 Barrage en béton :

Les barrages en béton se regroupent principalement en trois types (Figure I.4) :

 Barrages voûtes

 Barrages poids

 Barrages à contreforts

6 Figure I.4 : Les différents types de barrage en béton [15]

I-6-1-1- Barrage-voûte :

Le barrage est constitué d’un mur en béton arqué. La poussée de l’eau est reportée sur les flancs de la vallée. Le barrage a parfois une double courbure verticale et horizontale. Lorsque toutes les conditions nécessaires sont réunies, il permet d’économiser un volume de béton important. [9,10]

Figure I.5 : Barrage voûte [15]

7 Tableau I.2 : Les avantages et l es i nconvénient s de s barrages voûtes

Les avantages des barrages voûte Les inconvénients des barrages voûte

 le béton utilisé est faible.

 le volume de l’excavation n’est pas grand.

 grande résistance au séisme.

 la pression interstitielle (sous pression) au niveau de la fondation est faible à cause de l’épaisseur de la fondation.

 grande contrainte appliquée sur le béton et sur les roches.

 le tassement est moyen.

 l’incorporation de l’évacuateur de crue n’est pas facile.

 le gradient hydraulique au niveau de la fondation est important.

I-6-1-2- Barrages à contreforts :

Les barrages à contreforts sont constitués d’une série de murs parallèles, généralement de forme triangulaire, plus ou moins épais et plus ou moins espacés (les contreforts).

Les contreforts transmettant à ceux-ci poussée de l’eau, il est bien adapté aux vallées larges avec une fondation rocheuse de bonne qualité [2].

Il est constitué dans la (Figure I.6) :

Figure I.6 : Différents types de barrages à contreforts [15]

Dans ce type d'ouvrages, l'étanchéité est assurée par le voile en béton arme situé en amont et la stabilité vis à vis de la poussée de l'eau par les contreforts. II faut noter que la stabilité est améliorée en donnant un fruit de 0,5 à 1/1 au voile, car la poussée de l'eau comporte alors une

8 composante verticale dirigée vers le bas. Le voile peut être conçu de plusieurs façons (Figure I.6) [3] :

 Solidaire des contreforts avec parement amont plan. Les diverses sections de voile sont liées aux contreforts et fonctionnent en consoles courtes.

 Constitué d'une dalle posée aux extrémités sur les têtes des contreforts. Le voile travaille en flexion comme une poutre posée sur deux appuis simples aux extrémités.

 Solidaire des contreforts avec parement amont cylindrique. Cette disposition massive facilite la transmission de la poussée au contrefort.

 Constitue d'une voûte de faible portée et donc de faible épaisseur s'appuyant sur les contreforts.

 Dalle contreforts continue voute corbeau dalle contreforts suspendue.

Le barrage à contreforts, toujours réalisé en béton, a une forme triangulaire et ses faces amont et aval sont inclinés.

Figure I.7 : Barrage contreforts [15]

9 Tableau I.3 : Les avantages et l es i nconvénient s de s barrages à contreforts Les avantages des barrages à contreforts Les inconvénients des barrages à contreforts

 la contrainte supportée par la fondation rocher est moyenne.

 le béton utilisé est faible.

 le risque du tassement est moyen.

 stabilité latérale seulement aux séismes.

 faible pression interstitielle au niveau de fondation.

 grand risque aux séismes.

 faible résistance à la gravité.

 le volume de l’excavation est important.

 le gradient hydraulique très élevé au niveau de la fondation.

Chapitre

I-6-1-3- Barrages poids :

Le barrage poids, comme son nom l’indique, résiste à la poussée de l’eau par son propre poids (le poids propre s’applique au centre de gravité de l’ouvrage et dépond de la forme de ce dernier et de la densité moyenne des matériaux de construction). Le barrage- poids est constitué d’éléments massifs juxtaposés, nommés plots. Dans le but de réaliser une économie de béton, il est possible d’aménager des alvéoles entre les plots. Dans ce cas on parle de barrage poids évidé. Une autre solution consiste à concevoir un barrage poids voute dont la stabilité est assurée en partie par son poids propre et en partie par ses appuis sur les rives. [3,7]

Les conditions requises pour pouvoir projeter un barrage poids sont : - La qualité de la fondation ;

- Disposition de granulats de bonne qualité dans des conditions économiques acceptables.

10 Figure I.8 : Barrage poids [15]

Tableau I.4 : Les avantages et l es i nconvénient s de s barrages poids

I-6-2 Les barrages en remblai :

Les barrages en remblai sont d’un comportement plus souple sous la charge hydraulique. Comme leurs constructions sont en terre ou en enrochement, ces barrages peuvent atteindre des dimensions importantes grâce aux progrès de la mécanique des sols et de la géotechnique, largement utilisées dans leur conception. [11]

On distingue deux catégories de barrage en remblai :

 Les barrages en terre, réalisé à partir de sols naturels meubles prélevés à proximité du site de l’ouvrage.

Les avantages des barrages poids Les inconvénients des barrages poids

 grande pression sur le béton.

 faibles contraintes transmises aux roches.

 évacuateur de crues peut facilement être intégré.

 le gradient hydraulique au niveau la fondation est faible.

 grand volume d’excavation.

utilisation du béton très élevée.

 refroidissement artificiel pendant la prise du béton.

 risque aux tassements et aux

renversements, et au séisme si il n y a pas une injection entre les blocs.

 la pression interstitielle (sous pression) au niveau de la fondation est importante.

11

 Les barrages en enrochement, dont la majeure partie est constituée de matériau de carrières concassé.

La figure 1.9 représente les sous types de barrage, pour les deux catégories de barrages en remblai en fonction du matériau de construction, et du dispositif d’étanchéité.

Figure I.9 : Catégories des barrages en remblai [15]

I-6-2-1 Barrage en terre :

Les barrages en terre peuvent être constitués par des matériaux de caractéristiques diverses, à la différence des barrages en béton ou même en enrochements dont les matériaux constitutifs restent contenus dans des fourchettes beaucoup plus étroites . [12]

 Types des barrages en terre :

Il existe trois types de barrages en terre, les ouvrages en terre homogènes, ceux à noyaux étanches et ceux à masques amont, qui diffèrent en fonction des matériaux utilisés et de la méthode utilisée pour assurer l’étanchéité du barrage.

 Barrage homogène :

Ils sont totalement construits avec un seul matériau qui est le plus souvent argileux remplissant simultanément les deux fonctions d’écran et de masse. Ce matériau doit présenter des caractéristiques permettent de garantir une étanchéité suffisante et une stabilité du remblai. [13]

Les barrages homogènes sont le plus souvent réalisés en argile peu plastique dont les caractéristiques tant hydrauliques que mécaniques permettent en toute sécurité d’adopter des pentes de talus de (1/2) ou (1/2,5) en amont et en aval, moyennant le respect des spécifications de compactage. La forme générale est donc trapézoïdale avec des largeurs en

12 crête de 3,5 à 5 m pour les plus courantes. Le coefficient de perméabilité recherché pour le massif sera de l’ordre de 10^-7 à 10^-8 m/s. [1]

Figure I.10 : Barrage homogène [15]

Le barrage en terre homogène est constitué d’un massif en terre compactée imperméable, muni d’un dispositif de drains dans sa partie aval et d’une protection mécanique contre l’effet du batillage dans sa partie amont. [3,9]

 Barrage zoné avec un noyau étanche :

Dans le cas ou quantité des matériaux imperméables disponibles sur site est insuffisante pour réaliser tout le corps des barrages, on opte le plus souvent pour un ouvrage à zones avec un noyau en argile assurant l’étanchéité.

La stabilité du massif sera assurée par des zones perméables appelées recharges. Ces recharges peuvent être au nombre variables et disposées différemment d’un barrage à un autre en fonction de la nature du matériau et des conditions spécifiques à chaque barrage. [13]

Notons que le noyau étanche peut être trouvé sous forme vertical ou incliné et parfois remplacé par un diaphragme en béton ou ciment ou bitumineux.

Figure I.11 : barrage à noyau central et incliné [15]

13

 Barrage à masque amont :

Les barrages à masque sont constitués d’un remblai plus ou moins perméable assurant la stabilité d'ensemble. Un écran imperméable, appelé masque placé est mis en place sur le parement amont de façon à rendre le barrage étanche et lui permettre de retenir l'eau du réservoir. [3]

Le corps du barrage est construit avec un matériau quelconque pour autant qu’il soit peu déformable et pouvant assurer la stabilité au glissement de l’ensemble de l’ouvrage.

Sur des sites particuliers où aucune terre imperméable n’est disponible et où seuls les enrochements sont dominants, Le corps du barrage est donc construit avec un matériau quelconque pour autant qu’il soit peu déformable et pouvant assurer la stabilité au glissement de l’ensemble de l’ouvrage. Le masque qui assure l’étanchéité peut être en béton, en produits bitumineux ou en géo-membrane. La présence de ce masque sur le parement amont présente un double avantage de pouvoir faire des réparations en cas de dégradation du masque et de permettre de faire des vidanges rapides sans risque de glissements.

Figure I.12 : Barrage à masque amont [15]

I-6-2-2 Les barrages en enrochement :

Un barrage en enrochement n’est pas autre chose qu’un tas de cailloux à grande échelle, qui résiste par sa masse aux efforts auxquels il est soumis [12]. Ce type de barrage est souvent économique dans les régions d’accès difficile car il y a peu de transport à effectuer, les enrochements étant prélevés sur place [14]. Mais n’étant pas étanche par lui-

14 même, il faut lui adjoindre un organe d’étanchéité qui constitue la partie la plus délicate, aussi bien au stade du projet qu’à celui de la réalisation.

Figure I.13 : Barrage en enrochement [15]

Tableau I.5 : Les avantages et l es i nconvénient s de s barrages enrochem ent à no yau

I-7- Choix du site et du type de barrage :

Les principaux paramètres à prendre en considération dans le choix du type de barrage sont :

 Topographie du bassin versant.

 Morphologie de vallée.

 Les conditions géologique et géotechnique.

 La disponibilité des matériaux.

 Risque sismique.

 Condition climatique.

Les avantages des barrages en terre / Enrochement à noyau

Les inconvénients des barrages en terre / Enrochement à noyau

 Le corps du barrage est très flexible et adaptable aux conditions de terrain.

 Structure très peu sensible aux tassements et aux séismes.

 Excavations limitées.

 Contraintes très faibles sur le sol de fondation.

 Gradient hydraulique faible dans le noyau et dans la fondation.

 Volume de matériau à mettre en place très important.

 Disponibilité de matériau argileux en grande quantité à proximité du site.

 Mise en place du noyau argileux impossible lors de conditions météorologiques défavorables.

15

 But de l’ouvrage.

I-7-1- Etudes topographiques :

Les données topographiques nécessaires concernent : le bassin versant, l’amont et l’aval du barrage, les zones d’emprunt, le site du barrage.

La notion d’un bassin versant indique que toutes les eaux s’écoulent vers un même point appelé exutoire du bassin versant, ou bien toutes les eaux (pluie, neige,…etc.) chutées et écoulées pour alimenter le même exutoire du bassin versant.

Figure I.14 : Schéma d’un bassin versant [15]

I-7-2- Quelques études géologiques et géotechniques et hydrauliques :

Les études géologiques et géotechniques et hydrauliques sont composées par trois étapes :

 1^ére étape :

- Investigations et étude sur documents existants (études sur des projets antérieurs, cartes géologiques…etc.)

- Visite approfondie du site pour étudier la structure géologique régionale.

- Enlever d’affleurement sur le site et la cuvette.

- Enlever les matériaux de recouvrement pour obtenir une carte des zones d’emprunt.

- Repérer des zones de carrière pour les agrégats.

- Définir la nature des matériaux transportés par le cours d’eau.

 2^eme étape :

16 - Reconnaissance superficielle (tranchées à la pelle hydraulique 15 m, puits,

décapage,…etc.).

- Prospections géophysiques.

- Sondage et prélèvement des échantillons.

- Les essais géotechniques simples au laboratoire (identification et classification des sols).

- Préparer un rapport contient les travaux de reconnaissances.

 3^eme étape :

- Sondage complémentaire.

- Identification minéralogique en laboratoire (lame mince).

- Les essais géotechniques sur les roches.

- Avérer en fin le type d’ouvrage, sa section, son emplacement.

I-7-2-1- Etudes géologiques et géotechniques d’APS (Avant-Projet Sommaire) :

Ces études sont réalisent pour étudier la faisabilité et pour décider le maitre d’ouvrage l’engagement du projet.

 Reconnaissances de terrain :

- Tranche à la pelle hydraulique tous les 15 à 20 m pour définir la nature des matériaux disponible et le niveau de la nappe.

- Nombre et profondeur de sondage, on utilise le forage carotté en cas des barrages dont la hauteur est supérieure de 20 m car son coût élevé.

- Faire une description lithologique des terrains pénétrés en fonction de la profondeur et dessiner les coups géologiques.

Figure I.15 : Caisses de carottes [15]

17

 Quelques essais en laboratoire :

- Essais d’identification (poids volumique, teneur en eau, limite d’atterberg, bleu de méthylène, analyse granulométrique, sédimentométrie….etc.).

Figure I.16 : Granulométrie des matériaux constituée dans les barrages [15]

- Etude minéralogique.

- Essai de compactage : essai Proctor Normal.

- Essais mécaniques et hydrauliques : résistance à la compression simple, essai triaxial, l’odomètre, perméabilité, essai los Angeles, essai micro deval.

 Quelques essais in situ :

- Le pénétromètre statique ou dynamique.

- Le pressiomètre : obtenir une relation entre contrainte-déformation.

- Le scissomètre : mesurer la cohésion du sol.

- RQD : Rock Qualité Désignation.

- Prospection géophysique : déterminer la succession et la profondeur des couches.

18 - Prélèvements des échantillons en fonction des changements de nature de terrain notamment sous la nappe phréatique.

- Mesurer le pendage et la direction des discontinuités.

- Le géologue peut estimer le risque d’envasement à cause des apports solides dépendent d’érosion des pentes et de la couverte végétale de bassin versant.

- Etudier la fondation (substratum rocheux) : - Fondations rocheuses :

- Sur les fondations rocheuses on peut construire tous types de barrages, exceptionnellement les roches très fissurées c'est-à-dire très médiocres.

Fondations graveleuses ou sablo-silteuses :

On rencontre ce type de fondation dans les rivières à grand débit, ce type est pour les barrages en remblai (terre, enrochement) et en béton avec une hauteur très petite, mais il doit contrôler les fuites sous les fondations (risque de renard et de tassement).

Fondations argileuses :

Dans ce type de fondation on choisit automatiquement les barrages en remblai, mais la pente des parements doit être compatible avec les caractéristiques des matériaux in situ.

I-7-2-2- Etudes géologiques et géotechniques d’APD (Avant-Projet Détaillée) : - Estimer le volume des matériaux disponibles dans la zone d’emprunt.

- Des essais géotechniques in situ et en laboratoire sur l’échantillon de la fondation.

- Des essais chimiques sur l’échantillon de la fondation et des matériaux d’emprunts.

- Choix définitif le type du barrage et les ouvrages annexes et ses matériaux de construction.

- Calculer la stabilité de l’ouvrage.

- Suivre les travaux de construction du barrage et contrôler l’ouvrager en service.

I-7-2-3- Etudes hydrauliques

L’objectif principal d’un barrage est de stocker un volume d’eau pour différentes utilisations, donc il doit définir le volume de ce réserve qui constitue de :

- Le volume mort : situé au-dessous du barrage et remplit par des apports solides, ce volume peut réduire de volume total du barrage.

- Le volume utile : représente le volume exploitable situé au-dessus le volume mort.

- Tranche supérieure : représente la tranche d’évaporation et d’infiltration.

- Etude la perméabilité et l’infiltration à travers les fondations (tracer les lignes des courants et équipotentielles).

19 - Etude les risques à la stabilité du barrage phénomène de renard par exemple.

I-8- Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons fait une recherche bibliographique sur l'historique des barrages dans le monde, les différents types des barrages, les principaux paramètres à prendre en considération dans le choix du type et du site de barrage.

Cette étude a permis de définir les avantages et les inconvénients pour chaque type de barrages. Les barrages en terre sont les seuls qui conviennent à une fondation non rocheuse, ils présentent l'avantage de pouvoir être adaptés à peu près à n'importe quelle fondation, et de pouvoir être réalisés avec une très grande variété de sols. L'inconvénient majeur des barrages en terre est les infiltrations à travers leurs massifs. Donc la partie la plus délicate des barrages en terre et en enrochement est l'organe d'étanchéité.

20

II-1- Introduction

La destruction complète ou partielle d’un barrage est dite rupture de barrage. Cette rupture peut rendre le barrage inopérable. Il est évident que les barrages en terre sont moins résistants que les barrages en béton, mais n’empêche qu’ils peuvent être inopérables. Car d’une part on ne peut pas prévoir les dégâts (endommagements) causés par les phénomènes naturels tels que les séismes et les crues et d’autre part l’erreur humaine (une mauvaise conception, une mauvaise étude des matériaux utilisés, une mauvaise étude géotechnique et géologique …etc).

Dès les premières constructions des barrages, le nombre de rupture des barrages augmentent et devient plus fatale pour la vie de l’être humain et une perte économique considérable et des destructions remarquables malgré les progrès technologiques rapides. La Commission Internationale des Grands Barrages (CIGB) formule la définition de la rupture comme suit : rupture d’une partie du barrage ou de sa fondation, tel que l’ouvrage ne puisse retenir l’eau. En général, le résultat sera une perte d’un volume d’eau important, entraînant des risques pour les personnes ou les biens à l’aval. [21]

II-2- Profil général du barrage :

Considérons travers d’un barrage représenté sur la Figure II.1. Le lac ou bassin artificiel à l’amont d’un barrage, dans lequel une certaine quantité d’eau est accumulée est appelée retenue. La morphologie de l’aire couverte par la retenue est la cuvette. Le réservoir d’eau est une retenue dont l’exploitation s’effectue à niveau variable en vue de stocker et déstocker de l’eau.

21 Figure II.1 : Caractéristiques de la capacité d’une retenue

- NS : Niveau (ou cote) des dépôts solide (m) : Cote correspondante aux dépôts solides dans la retenue.

- NF : Niveau (ou cote) du lit de l’oued (m) : Cote du point le plus bas du fond du lit du cours d’eau en correspondance avec le parement amont du barrage.

- Nmin : Niveau (ou cote) minimal d’exploitation (m) : Cote minimal du niveau de l’eau dans la retenue où l’eau accumulée peut être dérivée par la prise d’eau pour l’utilisation prévue.

- RN : Niveau (ou cote) normal de la retenue (m) : Cote du niveau de l’eau dans la retenue à laquelle commence le déversement dans l’évacuateur de crues.

- PHE: Niveau (ou cote) des plus hautes eaux (m) : Cote maximale à laquelle peut arriver le niveau de l’eau dans la retenue au cas où se produirait le plus important phénomène de crue prévu, à l’exclusion de la surélévation due aux vagues.

- NCR : Niveau (ou cote) de la crête (m) : Cote du plan de la crête du barrage, à l’exclusion des parapets et d’éventuels murs de protection contre le batillage.

- hrn : Hauteur de retenue normale (m) : Dénivelée entre le niveau normal de la retenue et celui du lit de l’oued.

- h : Hauteur hors sol (m) : Dénivelée entre le niveau de la crête et celui du lit de l’oued.

- hL : Surélévation de crue (m) : Dénivelée entre le niveau des plus hautes eaux et celui de la retenue normal. Ce sur-remplissage représente la charge maximale exercée sur le déversoir en correspondance de la crue de projet.

- hR : Revanche (m) : Dénivelée entre le niveau de la crête et le niveau des plus hautes eaux