11-Dimensionnement Hydraulique Des Petits Ouvrages de Rétablissement

7/23/2019 11-Dimensionnement Hydraulique Des Petits Ouvrages de Rtablissement

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Document ralis par KERLOCH Bruno 1

DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE DESPETITS OUVRAGES DE RETABLISSEMENT

1. La conception des ouvrages hydrauliques

On distingue gnralement 5 familles douvrages : les buses circulaires, les dalots, les buses

arches, les ouvrages vote cintre, et les ouvrages dart.

Dans la mesure du possible, les produits industrialiss seront rechercher plutt que des

ouvrages couls en place plus coteux. Les ouvrages en bton arm, sous rserve de

dispositions constructives soignes, prsentent dexcellentes garanties de solidit et de

longvit.

Ltude structurelle des ouvrages projets relve dun bureau dtudes spcialis en ouvrage

d'art.

Facteurs influenant le choix des ouvrages hydrauliques

Le choix des ouvrages est guid par le souci permanent de la prennit de la route, de la

scurit des usagers, du cot dinvestissement et des modalits dentretien ultrieur de

louvrage. Les facteurs influenant le choix sont :

- limportance dudbit vacuerqui fixe la section dcoulement et le type de louvrage ;

- les caractristiques hydrauliques de louvrage : coefficient de rugosit (K), coefficientd'entonnement (Ke) crant une perte de charge lentre, forme de la section dcoulement ;

- la largeur du lit. Un ouvrage unique adapt au dbit vacuer et la largeur du lit du cours

deau est gnralement prfrable des ouvrages multiples qui augmentent les pertes de

charges et rendent plus difficile le passage des corps flottants;

- lahauteurdisponible entre la cote du projet et le fond du talweg;

- lescharges statiques et dynamiquesqui sollicitent louvrage hydraulique ;

- lesconditions de fondation des ouvrages;

- la rapidit et la facilit de mise en uvre : les produits industrialiss approvisionns en

lments transportables et monts sur place peuvent constituer une solution intressante pour

rduire les dlais dexcution et dans le cas o laccs au chantier est difficile ;

- larsistance aux agents chimiques;

- larsistance au choc: les ouvrages massifs rsistent mieux aux chocs et labrasion par le

charriage de matriaux solides.

Protections des ouvrages hydrauliques

Il peut tre envisag de caler le radier de l'ouvrage hydraulique au moins 0,30m sous le fond

du lit du cours d'eau pour permettre la reconstitution d'un fond naturel dans l'ouvrage

(remonte de poissons).

La surlvation du niveau amont des coulements et l'accroissement des vitesses en sortied'ouvrage ncessitent le plus souvent des protections en amont et en aval des ouvrages. Toute


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rectification du trac ncessitera :

- lacontinuit de lcoulement hydraulique;

- laprotection efficace des bergesaux changements de direction par des techniques prennes

relevant prioritairement du gnie vgtal "Protection des berges de cours d'eau en techniques

vgtales". Les techniques de renforcement par enrochements et gabions devront

tre rserves aux sections fortement sollicites par la vitesse de lcoulement, si les enjeux

sont importants en terme de scurit des personnes et des biens fortes valeurs ajoutes ;

- les coulements en pente importante p= 4% posent des problmes spcifiques (dtermination

de la hauteur d'eau amont, vitesse dans les ouvrages) qui ne sont pas traits dans ce guide.

Calcul des ouvrages

Le calcul des ouvrages ne peut se faire quaprs avoir dispos des contraintes de lcoulement

naturel en aval recueillies jusqu au moins 100m de louvrage hydraulique

Par ailleurs les ouvertures des ouvrages hydrauliques de rtablissement sont gnralement

infrieures la section courante du ruisseau ou du talweg pour des raisons de cots. Ce

rtrcissement hydraulique nest pas neutre pour son fonctionnement et notamment en

priode dvacuation du dbit de crue.

Ce quil faut retenir :

- louvrage doit pouvoir vacuer la crue correspondant au dbit de projet avec une hauteur

deau amont de louvrage (HAM) compatible avec le calage du projet et la prservation des

biens privs,

- la vrification pour un dbit exceptionnel doit tre examine,

- dans le cadre du prsent guide, la hauteur deau amont (HAM) est confondue avec la

ligne de charge,- le calage du profil en long ncessite de connatre lexhaussement de la ligne deau

inhrente ce rtrcissement hydraulique. Il est donc ncessaire de dterminer le rgime

dcoulement,

- le calage de louvrage ne doit pas engendrer un ressaut hydraulique,

- le calcul est men de laval vers lamont, cest--dire on recherche en priorit le rgime

dcoulement dans le ruisseau laval de louvrage hydraulique,

- la vitesse dcoulement ne doit pas excder 4m/s pour les ouvrages en bton et 2,5m/s

pour les buses mtalliques.

La mthode prsente est une mthode simplifie (Thorme de Bernoulli simplifi). Elle

fait appel des notions de base de lhydraulique (prise en compte des rgimes dcoulement).

Le principe de la mthode consiste dterminer en premier lieu le rgime de l'coulement

l'aval de l'ouvrage projet pour calculer la hauteur d'eau l'amont HAM de l'ouvrage.

- si l'coulement est en rgime fluvial, l'ouvrage projet doit tre cal en rgime fluvial

(application des abaques)

- si l'coulement est en rgime torrentiel, l'ouvrage projet peut tre cal en rgime fluvial ou

torrentiel (application des abaques 1 5)


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La relation gnrale donnantHAMest la suivante :

)(g

VeKeyH eAM

21

2

++=

Avec : ye = hauteur deau lentre et lintrieur immdiat de louvrage

hydraulique, en mtre.

Ve = vitesse lentre de louvrage en mtre par seconde sousye.

Ke = coefficient de perte de charge lentre de louvrage hydraulique

(fonction du type de tte).

G = acclration de la pesanteur en m/s2

Et Ve =EM

S

Q

SEM = section mouille lentre de louvrage hydraulique sousye en m2

2. Entretien et exploitation des ouvrages hydrauliques

Laccs aux ouvrages hydrauliques doit tenir compte des contraintes dexploitation.

Une visite annuelle et une visite aprs une crue sont ncessaires pour prvoir, le cas chant

des travaux dentretien de l'ouvrage et l'vacuation des diffrents atterissements.

Le diamtre minimal des ouvrages hydrauliques sous autoroutes est de 800 mm. Cette

dimension devra, dans tous les cas de figure, tre compatible avec les capacits dentretien du

gestionnaire.

Pour les routes 2 ou 3 voies, ce diamtre pourra tre rduit 600 mm tout en garantissant

galement les conditions dexploitation.


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3. lments dhydraulique gnrale : Rappels sur la thorie descoulements

Les rtablissements des coulements naturels font appel la thorie des coulements

surface libre. Un coulement est dit libre si, sa partie suprieure, le liquide est soumis la

pression atmosphrique (pour une canalisation, la ligne deau de lcoulement natteint pas lapartie suprieure de la canalisation).

Les coulements sont classs selon deux types:

Les coulements uniformes :

Un coulement est uniforme si le dbit, la pente, la section transversale (forme et

nature des parois) sont constants.

Lcoulement dans les ouvrages dassainissement de plate-forme est nanmoins

considr comme un coulement uniforme.Dans de telles conditions, la formule de Manning Strickler peut sappliquer:

=

Q : dbit en m3/s

K : coefficient de rugosit

Rh : rayon hydraulique en m avecm

m

P

SR =

Sm : section mouille* en m2

Pm : primtre mouill* en m

p : pente en m/m

Cette formule permet de dterminer la hauteur de la ligne deau en un point de

lcoulement dans une section donne. Cette hauteur deau est alors appele hauteur normale*

(elle est dnomme yn dans le cas d'un ouvrage hydraulique et hn dans le cours d'eau)


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Choix du coefficient de rugosit* K:

Les valeurs usuelles des coefficients de rugosit des ouvrages d'assainissement routier, mentionnes

dans le tableau ci-dessous, tiennent compte du vieillissement de l'ouvrage et de l'architecture du

rseau. Il s'agit de valeurs communment admises pour la route.

Ouvrages Valeur de K retenir

Ouvrages enherbs plats peu profonds

m15,0h

m20,0h

h : hauteur deau dans louvrage en m

10

15

Fosss enherbs (fosss trapzodaux et

triangulaires)25

Ouvrages superficiels en bton (fosss,

cunettes et caniveaux)70

Canalisations lisses (bton, PVC, PEHD,

etc)80

Pour les natures d'ouvrage non mentionnes dans le tableau, se reporter aux fiches

produit des fabricants et intgrer les aspects vieillissement et architecture du rseau.

Les coulements graduellement varis :

Un coulement est graduellement vari si ses diffrents paramtres (pente, section

transversale et vitesse) varient de faon continue, progressive et lente.

Dans le cadre du prsent guide, il est considr que l'coulement passant dun cours

d'eau un ouvrage de rtablissement (via la tte douvrage) seffectue en coulement

graduellement vari et que le fluide est parfait.

- Equation de Bernoulli

Dans les conditions dfinies ci-avant, lquation de BERNOULLI sapplique sur une

ligne de courant, chaque section de lcoulement libre : Cte2g

VyzH

2

=++=

avec H : charge totale en mtre

z : cote du fond par rapport un plan de rfrence en mtre

y : hauteur pizomtrique en mtre (hauteur relle du niveau de

lcoulement)

V : vitesse de lcoulement en m/s

g : acclration de la pesanteur = 9,81 m/s2(arrondie partout 10

m/s2)

2g

V 2: reprsente lnergie cintique en m


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En prenant en compte la perte de charge le long de l'coulement, l'quation de

Bernoulli s'crit :

Cte2g

VyzH H

2

=+++= ( =H perte de charge en m)

L'application du thorme de Bernoulli l'entre de l'ouvrage projet permet d'valuer

la hauteur d'eau HAM l'amont de l'ouvrage, alors ( )g2

VK1yH

2e

eeAM ++=

ye: Hauteur d'eau l'entre immdiate de l'ouvrage (en m)

Ke: Coefficient d'entonnement

Ve: vitesse l'entre de l'ouvrage en m/s

- Charge spcifique

On appelle charge spcifique la valeurg2

VyHs

2

+=

En remplaantS

QV = , on obtient

2

2

gS2

QyHs +=

La variation de Hs, en fonction de y pour un dbit constant, est reprsente par la courbe ci-dessous :


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La charge spcifique passe par un minimum pour une hauteur deau yc appele hauteur critique. La

charge spcifique est alors appele charge spcifique critique.

La hauteur yc satisfait la relation : 1Sg

LQ

3

c2

=

Lc est la largeur au miroir de l'coulement pour la hauteur d'eau yc.

- si la hauteur d'eau y de l'coulement est < yc. l'coulement est en rgime torrentiel

- si la hauteur d'eau y de l'coulement est > y c l'coulement est en rgime fluvial

- si la hauteur d'eau y de l'coulement est = y c l'coulement est rgime critique

La ligne d'eau en rgime fluvial remonte vers l'amont ce qui n'est pas le cas du rgime torrentiel. Le

rgime critique le long de l'coulement dans l'ouvrage est proscrire.

Pour le rgime d'coulement l'intrieur des ouvrages, on recherche les configurations suivantes :

REGIME AVAL DE L'OUVRAGE REGIME DANS L'OUVRAGE

Fluvial Fluvial

Torrentiel Fluvial ou torrentiel

Nota : Lors du passage du rgime torrentiel au rgime fluvial, il y a cration dun ressaut qui est

prjudiciable la prennit de l'ouvrage projet. Cette configuration doit tre exceptionnelle.

Dmarche de dimensionnement des ouvrages

La dmarche consiste rechercher :- le rgime d'coulement l'aval. Les schmas, ci-aprs, rsument les cas de figures possibles

savoir :

rgime fluvial l'aval (ouvrage cal en fluvial)

rgime torrentiel l'aval (ouvrage cal en fluvial) ou en torrentiel

- le calage d'ouvrage dans le rgime appropri au rgime aval (ce qui dtermine la hauteur

d'eau ye l'entre de l'ouvrage)

- la hauteur d'eau l'amont HAM de l'ouvrage.


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Le logigramme ci-aprs synthtise la dmarche


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Coefficient d'entonnement Ke

Ce coefficient varie selon le type de l'entre de l'eau dans l'ouvrage. Prendre les valeurs dansle tableau suivant :

TYPE DE L ENTREE Ke

Extrmit taille en sifflet(schma 1) 0,7

Extrmit avec mur de tte et murs en aile(schma 2)

0,5

Schma 1- Extrmit taille en sifflet

facultatifRadier

retourMur en

Mur parafouille

Schma 2 - Extrmit avec mur de tte et murs en aile

Ces coefficients d'entonnement Ke repris ci-dessus ne tiennent pas compte dun rtrcissement

parfois important de lcoulement d au remblai routier et louvrage. Aussi, pour ces cas de figures

plus complexes, il faut utiliser dautres relations donnes dans des ouvrages spcialiss non

mentionns dans le prsent document.

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