04-Assainissement Routier (Contexte Général)

ASSAINISSEMENT ROUTIER

1. GENERALITES

L’assainissement d’une voie routière doit régler plusieurs types de problèmes posés par l’eau :- La création de la route perturbe les écoulements naturels. Il faut donc rétablir les écoulements

par des ouvrages suffisamment dimensionnés (la partie dimensionnement des ouvrages de rétablissement n’est pas traitée dans ce document).

- Ces écoulements servent souvent d’exutoires aux eaux de plate-forme. Leurs débits seront donc augmentés et les risques de pollution accrus. Ces impacts doivent être évalués et corrigés si nécessaire par des moyens appropriés (la partie traitement de la pollution routière et dimensionnement de bassins de retenue n’est pas traitée dans ce document).

- Les eaux recueillies par la plate-forme doivent également être collectées et évacuées. Il faut donc dimensionner correctement l’ensemble du réseau de recueil des eaux de plate-forme (cela fait l’objet du présent document ; cependant pour le recueil des eaux internes, cette partie n’est pas renseignée).

Actuellement, les moyens de conception sont rassemblés dans le Guide Technique Assainissement Routier d’octobre 2006 réalisé par le SETRA.

1.1 PRINCIPES

L'assainissement d’un projet routier doit être pris en compte dés le début des études. L'étude de l'assainissement doit ensuite se développer progressivement au fur et à mesure de l'avancement du projet.

Trois grands principes doivent toujours être présents à l'esprit lors de l'étude d'assainissement d'un projet.

La sécurité de l'usager : Il faut éviter l'accumulation d'eau sur la chaussée (aquaplanage)

La protection de la route : La saturation des dispositifs d'évacuation des eaux ou le ruissellement trop important peuvent détériorer la route.

La protection des milieux extérieurs : (Loi sur l’eau) Le projet routier modifie en général le régime hydraulique superficiel et parfois interne de la zone traversée. Il faut veiller aussi aux risques de pollution des nappes phréatiques notamment et des zones de captage.

1.2 ETUDE DU PROJET

Un projet d'assainissement comporte en général trois parties :- la pluviométrie,- l'impluvium (surface à assainir),- l'ouvrage hydraulique de recueil des eaux.

Document réalisé par KERLOC’H Bruno

1.2.1 La pluviométrie

Elle est donnée par les stations météorologiques régionales. Ces données permettent de réaliser les courbes intensité - durée - fréquence (voir paragraphe 3.1).

1.2.2 L'impluvium

L'impluvium est formé par l'ensemble des surfaces qui alimentent en eau de ruissellement l'ouvrage à dimensionner. Pour déterminer l’impluvium, il faut connaître les caractéristiques du projet (caractéristiques géométriques et coefficients de ruissellement) et les exutoires envisagés.

Relevé des caractéristiques du projet

En plan :- origine et extrémité du réseau (exutoire ou point de rejet),- emplacement des liaisons transversales imposées par le tracé de la route.

En profil en long : - points hauts et points bas en tenant compte des points de passage déblai / remblai,- pentes du projet,- pentes du fil d'eau du réseau si elles sont différentes de celle du projet routier (zones de

changement de dévers par exemple),- les points de changement de pente,- l'abscisse des liaisons transversales,- les pentes du terrain naturel en limite d'emprise du projet routier.

En profil en travers : - nature des matériaux constituant l'impluvium,- position des réseaux dans le profil en travers,- pentes des différentes parties du profil en travers.

Evaluation des coefficients de ruissellement

L'ensemble des surfaces constituant de l'impluvium est le plus souvent constitué de surfaces de natures différentes quant aux caractéristiques vis à vis de l'écoulement de l'eau c’est à dire le coefficient de ruissellement C.

Les valeurs généralement utilisées pour les coefficients de ruissellement sont :- chaussées et surfaces revêtues C = 1 à 0,9- accotements stabilisés C = 0,8- berme (lorsqu’elle reçoit les eaux de la chaussée) C = 0,7- autres surfaces planes engazonnées C = 0,3- talus (suivant la pente et la nature du sol) C = 0,3 à 0,6

Le coefficient de l’ouvrage de recueil des eaux est généralement pris égal à 1 car il est considéré plein d’eau.


Recherche des exutoires

C'est une étape importante du projet qui doit être appréhendée le plus tôt possible dés le début des études et doit s'accompagner par des reconnaissances sur le terrain en saison pluvieuse et également l'été lors de gros orage.

Les exutoires peuvent être soit :- des exutoires naturels qui existent déjà,- des exutoires artificiels qui amèneront les eaux vers les exutoires naturels,- des bassins de stockage ou tampons et des bassins d'infiltration.

1.2.3 Ouvrages de recueil des eaux

Principes

Une trop grande diversité d'ouvrages n'améliore pas toujours la qualité du projet et ne facilite ni les modes de construction, ni les conditions d'entretien du réseau.

Le choix des ouvrages doit être généralement fait à partir de trois principes :

1 - Rejeter les eaux hors de la plate-forme routière chaque fois que cela est possible de façon à avoir des débits faibles qui limiterons la taille des ouvrages,

2 - Utiliser le plus souvent possible des ouvrages superficiels (coûts d'investissement et d'entretien plus faibles que des ouvrages enterrés),

3 - Choisir l'ouvrage qui donne une vitesse d’écoulement faible (tout en assurant l’autocurage).

Les différents réseaux

a - Réseaux de pieds de talus de déblais

Ils recueillent les eaux de ruissellement en provenance de la chaussée de l'accotement et du talus, ils assurent le transit des eaux vers l'exutoire en évitant leur pénétration dans le corps de chaussée et dans la plate-forme de terrassement.

Si la pente d'écoulement est trop faible (inférieur à 0,5%) il y a risque de débordement et de colmatage, et si l’ouvrage n’est pas étanche, l’eau risque de s’infiltrer dans le corps de chaussée.

En principe on utilise une cunette ou un fossé accueillant (pente de 25% maximum coté chaussée) ou un caniveau rectangulaire fermé si la place est insuffisante.

b - Réseaux de crête de talus de déblais

Ils recueillent les eaux de ruissellement ou de drainage en provenance du bassin versant naturel supérieur pour résoudre un problème de stabilité et/ou d'érosion des talus de déblais, il s’agit généralement d’un fossé trapézoïdal.


Suivant le cas, le rejet dans l'ouvrage de pied de talus est possible par l'intermédiaire de descentes d'eau, bien qu’il soit préférable de ne pas mélanger les eaux de la route avec celles du bassin versant naturel.

c - Réseaux de pieds de talus de remblais

Ils recueillent les eaux de ruissellement en provenance de la chaussée, de l'accotement et du talus de façon à protéger le pied de talus du remblai ou le bassin aval.

L'ouvrage classique est le fossé en terre. Il convient de vérifier que le profil en long du terrain naturel est compatible avec un ouvrage de ce type. Si la vitesse de l'eau est supérieure à 1,50 m/s ou inférieur à 0,30 m/s un ouvrage revêtu peut être nécessaire, notamment sur des sols fins.

d - Réseaux de crête de remblais

Ils recueillent les eaux de ruissellement en provenance de la chaussée et de l'accotement pour éviter le plus souvent une érosion du talus et éviter de mélanger les eaux de la chaussée et du terrain naturel avant traitement.

Les ouvrages habituellement utilisés sont soit le caniveau rectangulaire soit la bordure caniveau.

Lorsque le talus dépasse 2m dans les régions où les pluies ont une forte intensité (Région 3), ou 4m dans les autres cas un réseau de crête est nécessaire. Pour des talus pas très haut, ce type d'ouvrage ne s'impose pas.

2. NOTIONS D'HYDRAULIQUE

2.1 DEFINITION

A D

B C

Section mouillée (Sm)C'est la section "ABCD" occupée par le fluide dans l'ouvrage.

Périmètre mouillé (Pm)C'est le périmètre de l'ouvrage en contact avec le fluide égal à AB + BC + CD

Rayon hydraulique (Rh)

C'est le "rayon moyen" de la section obtenu par le rapport mouilléPérimètremouilléeSection=


2.2 FORMULE DE MANNING-STRICKLER

2.2.1 Formule

La formule de MANNING-STRICKLER permet de déterminer la vitesse d'écoulement dans un ouvrage hydraulique et le débit capable de l'ouvrage.

Vitesse: V(m/s) = K x Rh2/3(m) x P1/2

(m/m)

Débit : Q(m3/s) = V(m/s) x S (m²) = K x Rh2/3(m) x P1/2

(m/m) x Sm (m²)

K est le coefficient de Manning-Strickler (ou coefficient de rugosité) qui varie en fonction du type d'ouvrage.P est la pente longitudinale de l'ouvrage.

2.2.2 Influence du Rayon hydraulique

Le rayon hydraulique joue un rôle important et de ce fait la forme de l'ouvrage dépendra du but recherché. En effet pour une même section mouillée le Rh peut être différent suivant le périmètre mouillé.

Par exemple deux ouvrages de même type (caniveau rectangulaire béton avec K= 80), de même section mouillée avec une même pente(1%) peuvent avoir des vitesses d'écoulement et des débits différents. 0,50 x 0,50 2,50 x 0,10

L'ouvrage n°1 aura : un Rh de 0,25/1,50 = 0,166

une vitesse de 2,41 m/sun débit capable de 0,602 m3/s

L'ouvrage n°2 aura : un Rh de 0,25/2,70 = 0,092une vitesse de 1,63 m/sun débit capable de 0,407 m3/s

Si on cherche donc à évacuer le plus rapidement possible les eaux, il est préférable d'utiliser des ouvrages se rapprochant type 1 en évitant toutefois d'avoir des vitesses trop importantes qui risqueraient de détériorer l'ouvrage. Dans le cas contraire il sera préférable d'utiliser des ouvrages se rapprochant du type 2.

Vitesse à ne pas dépasser pour des ouvrages d’assainissement

- ouvrages en terre : terrain naturel sans végétation 0,5 à 1,5 m/s suivant la nature du sol terrain naturel engazonné 1,8 m/s

- ouvrage en béton : 4 m/s


2.2.3 Coefficient K de Manning-Strickler

Pour les ouvrages préfabriqués le coefficient de Manning-Strickler est en général donné par le fabriquant, les coefficients des ouvrages les plus courants sont les suivants :

Tuyaux en PVC 80 à 120 ⇒ conseillé 90Tuyaux en béton 60 à 80⇒ conseillé 70Caniveaux en béton 50 à 80⇒ conseillé 70Buses métalliques en tôle ondulée 40 à 45Fossés revêtus coulés en place ou préfabriqués 50 à80 ⇒ conseillé 70Fossés profonds 25 à 30⇒ conseillé 25Fossés peu profonds, cunettes engazonnées 7 à 30 ⇒ utilisation de la formule de calcul avec K = 18 loge (100 Rh) + 5,13 loge (pente) - 11

3. METHODE DE CALCUL D'UN BASSIN VERSANT ROUTIER

Le dimensionnement des réseaux d'assainissement des eaux pluviales nécessite la connaissance des données pluviométriques propres au projet à réaliser et les caractéristiques géométriques du projet.

3.1 DONNEES PLUVIOMETRIQUES

Les averses ou pluies à prendre en compte dans les calculs sont caractérisées par leur INTENSITE, leur DUREE, et leur FREQUENCE ou période de retour.

L'intensité moyenne d'une pluie est exprimée en hauteur d'eau en mm par minute ou par heure. L'intensité et la durée sont généralement liées, en effet, plus une pluie est intense et plus elle est de courte durée.

La période de retour d'une pluie d'intensité et de durée données est la période de temps pendant laquelle il est probable que cette pluie survienne une fois, son inverse est la fréquence.

Ces caractéristiques sont obtenues par l'analyse des séquences de pluie enregistrées depuis plusieurs années, par des stations météorologiques. On dispose ainsi des renseignements donnés pour chaque station météorologique sous forme des valeurs des intensités moyennes d'averse, de durées 6, 15, 30 minutes, 1, 2 et 6 heures pour des périodes de retour de 1, 2, 5 ou 10 ans.


Ces données peuvent être représentées par des courbes donnant l'intensité en fonction de la durée pour diverses périodes de retour par une fonction mathématique dont la courbe représentative approche au mieux la courbe réelle (courbes INTENSITE - DUREE - FREQUENCE).

Le graphique de la page suivante représente les courbes IDF pour la région d’AMIENS pour des périodes de retour de 2, 5, 10, 20, 50 et 100 ans. Les paramètres a et b permettant d’obtenir ces courbes à partir de la formule de MONTANA (i = at-b) sont donnés dans le tableau suivant.

Période de retour a b2 ans 328 0.7315 ans 538 0.77610 ans 797 0.80520 ans 979 0.81250 ans 1 204 0.820100 ans 1 398 0.812

Courbes INTENSITE - DUREE - FREQUENCEAMIENS

0

50

100

150

200

250

300

350

400

5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Temps en minutes

Intensité en mm/heure

100 ans50 ans20 ans10 ans5 ans2ans

90 mm/h

15 mIn

Des expressions différentes de cette fonction peuvent être utilisées dans les calculs de dimensionnement des réseaux

ti

+=

βα

et btai −×= avec i en mm/h ou en mm/mn et t en mn en s

L'annexe 2 de la R.A.R. ci-jointe donne les valeurs de (α,β) et (a,b) pour chaque station météorologique.


La formule ti

+=

βα

(hyperbolique) sous estime les intensités au-delà de 4 heures.

Les formules btai −×= (MONTANA) sont séparées en deux relations :

- l'une est valable de 6 à 60 minutes- l'autre est valable de 15 à 360 minutes

Le graphique de la page suivante représente les courbes obtenues avec les formules de Montana et la formule hyperbolique de la RAR et la formule superficielle de l’instruction de 1977 pour Paris.

Averse décennale de PARIS Montsouris

0

20

40

60

80

100

120

140

160

30 60 90 120 150 180

Temps en minutes

Intensité en mm/heure

Montana < 30 mn (RAR)

Superficielle Zone I (Instruction 1977)

Montana >15 mn (RAR)

Hyperbolique (RAR)

Le choix de la fréquence d'averse de référence est fonction du niveau de sécurité que l'on souhaite prendre pour l'ouvrage et son environnement. Mais ce choix a également une incidence économique. En effet, plus la période de retour sera grande, plus l'intensité de l'averse sera élevée et plus les ouvrages d'assainissement seront importants.

Une période de retour de cinq ans peut convenir pour les routes secondaires peu fréquentées si les risques de débordement ne mettent pas en cause la pérennité des ouvrages routiers ou s’ils ne créent pas d’inondations dommageables.

Dix ans est la valeur la plus couramment utilisée pour les routes et autoroutes.

Cent ans est la valeur conseillée pour le rétablissement des écoulements naturels.


3.2 PRINCIPES DE CALCUL : METHODE DU TEMPS DE CONCENTRATION

Le processus de ruissellement, de collecte et d'évacuation des eaux sur lequel est basée la méthode du temps de concentration est le suivant :

Une averse d'intensité supposée constante commence à tomber sur un bassin versant routier donné. Pendant l'averse, une partie de l'eau s'infiltre, l'autre ruisselle, s'accumule dans le réseau et coule vers l'exutoire où le débit augmente jusqu'à atteindre une valeur égale au débit d'apport constant de l'averse diminué de l'infiltration.

Les caractéristiques de la plate-forme, celles de l'ouvrage et l'intensité de la pluie interviennent dans la détermination de ce temps ce qui complique le calcul.

Le temps mis par l’eau pour aller du point le plus éloigné du bassin versant routier jusqu’à l’exutoire (ou jusqu’au point de calcul) est le temps de concentration.

L’intensité de la pluie prise en compte pour le calcul du débit est celle correspondant au temps de concentration.

En effet le débit maximum sera celui provoqué par une intensité de pluie correspondant au temps de concentration

3.3 DETERMINATION DU TEMPS DE CONCENTRATION

La détermination du temps de concentration permet de connaître l’intensité de l’averse à prendre en compte à partir de la formule :

btcai −×= )( i en mm/h et tc en minutes

Les paramètres a et b étant fournis dans la R.A.R. ou peuvent être fournis par les services de la météorologie nationale.

Le temps de concentration est calculé de la manière suivante :tc tc tc= +1 2

- tc1 représente le temps de ruissellement sur la chaussée avant d’atteindre l’ouvrage de recueil, généralement pris égal à 3 minutes.

tc1 dépend essentiellement de la géométrie de la plate-forme routière (nombres de voies, B.A.U, accotement). Il peut être pris égal à 1 minute par voie.

- tc2 représente le temps de transit de l’eau dans les ouvrages pour arriver au point de calcul.tc2 dépend essentiellement des caractéristiques de l’ouvrage choisi (nature, dimensions et pente) :

tc LV

20 85 60

=× ×,

- L la longueur du plus long cheminement hydraulique- V la vitesse d’écoulement en m/s de l’ouvrage choisi à saturation- a et b les paramètres pluviométriques de la région - 0,85 est un facteur pondérateur qui corrige la vitesse car elle est variable tout au long du parcours


3.4 COMPARAISON ENTRE LE DEBIT D’APPORT ET DE DEBIT CAPABLE

Le débit d’apport maximum de ruissellement de la plate-forme routière pour une averse donnée est

calculé par la formule rationnelle : AiCQa ×××=3600

1

- Qa = débit en l/s- C = coefficient de ruissellement de la plate-forme considérée- i = intensité de l'averse (en mm/h) correspondant au temps de concentration A = surface de la plate-forme

Pour une largeur de plate-forme donnée, ce débit dépend donc de l'intensité de l'averse dont la durée est égale au temps de concentration.

Ce temps de concentration dépend lui-même des caractéristiques de la plate-forme et de l'ouvrage choisi. On est donc amené à procéder par itérations.

On compare ce débit d’apport (Qa) en considérant l’ouvrage plein au débit capable (Qc) de l'ouvrage envisagé. Le débit capable est donné par la formule de MANNING-STRICKLER :

pSmRhKQc ××××= 3/21000- Qc débit capable à pleine section en l/s - K coefficient de rugosité - Rh rayon hydraulique en m - Sm section mouillée en m² - p pente de l’ouvrage en m.p.m

Les valeurs de K, Rh et Sm sont expliquées dans la partie 2 "NOTIONS D'HYDRAULIQUE".

Si le débit d’apport (Qa) est inférieur au débit capable (Qc) de l'ouvrage envisagé, celui-ci convient. Dans le cas contraire, il faut changer de type d'ouvrage ou y associer un autre ouvrage (cunette + collecteur enterré).

Si le débit d’apport est nettement inférieur au débit capable, il est possible de diminuer les caractéristiques de l’ouvrage.

3.5 RECAPITULATIF DE LA DEMARCHE

1. Choisir le type d’ouvrage et le point de calcul

2. Calculer le débit capable de l’ouvrage à plein pSmRhKQc ××××= 3/21000

3. Calculer la vitesse correspondanteSmQcV =

4. Calculer le temps de concentration

tc tc tc= +1 2 avec tc1=1 min. par voie et tc LV

20 85 60

=× ×,

5. Calculer l’intensité pour un temps de retour de 10 ans btcai −×= )(


6. Calculer le débit d’apport AiCQa ×××=3600

1

7. Comparer le débit capable et le débit d’apportsi Qc > Qa l’ouvrage convientsi Qc < Qa l’ouvrage est trop petitsi Qc >> Qa l’ouvrage convient, mais il est surdimensionné

3.6 CALCUL DU DEBIT MAXIMUM REEL

La comparaison entre le débit d’apport de la plate-forme routière et le débit capable de l’ouvrage permet de vérifier que l’ouvrage choisi convient, mais ne donne pas le débit réel maximum qui doit être inférieur au débit capable de l’ouvrage à plein pour une période de retour donnée.

Si on trace sur un graphique le débit d’apport du projet et le débit de l’ouvrage en fonction de la hauteur d’eau dans l’ouvrage, ces deux courbes se croisent à une certaine hauteur de remplissage (en effet le débit d’apport varie peu alors que la variation du débit capable est importante). A cette hauteur correspond un débit d’apport égal au débit de l’ouvrage qui représente le débit maximum du projet pour la période de retour fixée (généralement 10 ans).

Débit de projet et débit de l'ouvrageen fonction de la hauteur d'eau dans l'ouvrage

0

100

200

300

400

500

600

5 10 15 20 25 30 35 40

Hauteur d'eau (cm)

Débits (l/s)

Débit capable de l'ouvrageDébit du projet

Q = 408 l/s

H = 34 cm

Pour trouver ce débit, il faut donc procéder par itération en faisant varier la hauteur d’eau dans l’ouvrage.

3.7 CALCUL DE PLUSIEURS BASSINS VERSANTS ROUTIERS

Les calculs d’assainissement détaillés précédemment doivent se faire par section ou zone homogène, c’est-à-dire même type d’ouvrage, même largeur de chaussée et même pente.


Le regroupement de toutes les zones où l’assemblage se fait soit en série lorsqu’une zone s’écoule dans une autre zone, soit en parallèle lorsque deux zones se regroupent en un point.

3.7.1 Assemblage en série

Soit deux zones A et B ayant respectivement comme temps de concentration : tc(A) = tc1(A) + tc2(A)

et tc(B) = tc1(B) + tc2(B)

Le temps de concentration total des zones A et B à prendre en compte pour le calcul du débit à la fin de la zone B est égal à tc1(A) + tc2(A) + tc2(B) (en réalité, il faudrait prendre pour le temps tc2(B) le temps correspondant à la vitesse moyenne dans l’ouvrage tout au long de la zone B).

Le débit est donc AiCQa ×××=3600

1 où :

i est l’intensité correspondant au temps de concentration total des zones A et B.A correspond à la surface totale recueillie (zones A et B) soit : AjA ∑=

C représente le coefficient pondéré aux zones A et B par utilisation de la formule : AjAjCjCpond

∑×∑=

3.7.2 Assemblage en parallèle

Si les zones A et B se regroupent en un même point, le calcul du débit d’apport à ce point doit être fait en prenant en compte l’intensité du bassin qui a le temps de concentration le plus important qu’on applique sur la totalité de l’impluvium considéré.

Le débit est calculé comme précédemment : AiCQa ×××=3600

1

L’intensité i retenue correspond à l’intensité de la zone (A ou B) choisie selon le temps de concentration le plus important entre les zones A et B.

Dans le cas où les deux zones ont le même temps de concentration le débit d’apport des deux zones assemblées est égal à la somme des débits de chaque zone.

3.8 QUELQUES CONSEILS

Commencer par la conception générale du réseau d’assainissement et ensuite faire les calculs pour vérifier le dimensionnement, ne pas détailler inutilement les calculs, l’assainissement n’est pas une science exacte.

Penser à l’autocurage pour les ouvrages revêtus en évitant les pentes inférieures à 0,5 % La vitesse d’autocurage se calcule au 1/10 du débit maximum et doit être supérieur à 0,6 m/s.

En contrepartie, ne pas dépasser une vitesse de 4 m/s pour les ouvrages bétonnés et environ 1,5 m/s pour les fossés ou cunettes en terre.

Ne pas utiliser les ouvrages à pleine section, ne pas dépasser 80% de la hauteur de remplissage (augmenter plutôt les dimensions de l’ouvrage).


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