Université du Québec (UQ) École de technologie supérieure

Notes de cours

TCH-025 TRAVAUX DE GÉNIE CIVIL

Module 7

LES INFRASTRUCTURES MUNICIPALES

Jean Harrison

Hiver 2007

TABLE DES MATIÈRES

1.0 Hydraulique des conduites 3 1.1 Débit 3 1.2 Conservation de l’énergie 3 1.3 Équation d’Hazen-Williams 4 1.4 Équation de Manning 4 2.0 Le réseau d’aqueduc 8 2.1 Les consommations 8

2.2 Les conduites 8 2.3 Les vannes 9 2.4 Les poteaux d’incendie 10 2.5 Les entrées de service 10 2.6 Les ventouses 10 2.7 Les butées et attaches 11 2.8 Pression minimales et maximales 11 2.9 Profondeur d’enfouissement des conduites 11

3.0 Les réseaux d’égouts 12 3.1 Les débits d’eaux usées sanitaires 11 3.2 Les débits d’eaux usées pluviales 13 3.3 Les conduites 16 3.4 Les regards d’égouts 16 3.5 Les bouches d’égout 17 3.6 Les entrées de service 17 3.7 Les pentes et les vitesses d’écoulement 17

Références 19

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MODULE 7

LES INFRASTRUCTURES MUNICIPALES

1.0 HYDRAULIQUE DES CONDUITES

1.1 Débit AVQ ×=

Q = Débit (m3/s) V = Vitesse d’écoulement (m/s) A = Section d’écoulement (m2) 1.2 Conservation de l’énergie

En hydraulique urbaine, lorsque le diamètre des conduites demeure constant, l’équation de Bernouilli se résume à :

Lw

BB

w

AA hPhPh ++=+

γγ

Où : hA = Élévation du point A (m) PA = Pression au point A (kPa) hB = Élévation du point B (m) PB = Pression au point B (m) hL = Perte de charge dans la conduite entre les points A et B (m)

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1.3 Équation d’Hazen-Williams

L’équation d’Hazen-Williams est utilisée pour calculer les caractéristiques des écoulements dans les conduites d’aqueduc. On peut également utiliser l’abaque 1.1. 54,063,0849,0 sRCAQ hHW ××××= Où : Q = Débit (m3/s) A = Section d’écoulement (m2) Rh = Rayon hydraulique (m) s = Pente de la ligne d’énergie (m/m)

Lhs L=

Où : hL = perte de charge dans une conduite (m) L = longueur de la conduite (m)

1.4 Équation de Manning

L’équation de Manning est utilisée pour calculer les caractéristiques des écoulements dans les conduites d’égouts. On peut également utiliser l’abaque 1.2.

n

sRAQ hPP

2/13/2 ××=

Où : QP = Débit lorsque la conduite coule pleine (m3/s) AP = Section d’écoulement lorsque la conduite coule pleine (m2) Rh = Rayon hydraulique (m) s = Pente de la conduite (m/m) L’abaque 1.3 permet de calculer les débits, vitesses et hauteurs d’eau réels dans les conduites d’égout.

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Abaque 3.1 – Équation d’Hazen-Williams CHW = 130

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Abaque 3.2 – Équation de manning

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Abaque 3.3 – Conditions d’écoulement dans les conduites d’égouts circulaire ne coulant pas à plein débit

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2.0 LE RÉSEAU D’AQUEDUC

Le réseau de distribution de l’eau potable est une infrastructure importante qui permet de distribuer l’eau en quantité suffisante pour satisfaire aux besoins actuels et à venir des usagers et, souvent, aux besoins en eau nécessaire pour lutter contre les incendies. Dans une municipalité, les conduites du réseau de distribution sont dans la mesure du possible constituées de boucles (il est alors dit maillé), ce qui permet d’offrir aux usagers le meilleur service possible. En effet, la pression dans le réseau est ainsi mieux équilibrée, et le nombre d’abonnés non desservis en cas de bris ou de réparation est réduit au maximum, puisque l’eau peut atteindre un même point de consommation par plusieurs chemins. Dans un réseau maillé, la vitesse d’écoulement de l’eau est rarement nulle : c’est un avantage pour le maintien d’une bonne qualité de l’eau distribuée.

2.1 Les consommations

Les usines de filtration municipales sont conçues afin de desservir une multitude d’usage. La consommation domestique comprend la totalité de l’eau utilisée par les résidences et les petits commerces. On doit également tenir compte des consommations commerciales, industrielles, institutionnelles et publiques; cette dernière consommation représente l’eau fournie pour diverses utilisations municipales. Finalement, on doit prendre en considération toute l’eau perdue à cause des défectuosités du système de distribution. Si aucune mesure de consommation n’est disponible, il est de pratique courante de considérer un débit moyen de 360 à 450 litres/personne/jour auquel on applique un facteur de 1,4 à 1,8 pour déterminer le débit maximal journalier. Le débit de pointe horaire s’obtient en multipliant le débit moyen par un facteur de 2,3 à 3,0. La capacité du réseau doit être suffisante pour fournir le débit journalier maximal si le réseau est doté d’un réservoir. Dans le cas contraire, il devra fournir le débit de pointe horaire.

2.2 Les conduites

Les réseaux de distribution d’eau potable sont réalisés le plus souvent avec des conduites en matières plastique ou en fonte ductile avec revêtement intérieur en mortier de ciment.

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Les conduites en matière plastique sont légères et facile à manipuler. Toutefois, elles ont tendance à se déformer sous l’effet des charges. À l’inverse, les conduites métalliques sont plus rigide et il est par ailleurs facile de les dégeler en y faisant passer un courant électrique d’un poteau d’incendie à l’autre. Il est également plus facile de localiser les fuites sur le réseau car les conduites métalliques transmettent les vibrations engendrées par les fuites. Les conduites en fonte ductile sans revêtement intérieur de mortier de ciment ne sont plus utilisées. Rappelons cependant que la plupart des conduites métalliques installée jusqu'à tout récemment sont en fonte ductile sans revêtement de mortier de ciment. Dans la catégorie des grands diamètres, on utilise souvent des conduites en béton-acier. Ces conduites, commercialisées au Québec sous le nom de Hyprescon, sont faites à partir d’un cylindre d’acier revêtu de béton à l’intérieur et à l’extérieur. Des câbles de précontraintes sont également insérés dans la couche de béton externe. Le diamètre minimum des conduites qui assurent la protection contre les incendies est de 150 mm. Dans le cas des réseaux qui n’assurent pas la protection contre les incendies, le diamètre minimum des conduites sera de 75 mm en milieu rural et 100 mm en milieu urbain.

2.3 Les vannes

La gestion d’un réseau de distribution exige qu’on recoure à de nombreuses pièces d’équipement. Parmi celles-ci les vannes sont probablement les plus importantes, puisqu’elles permettent de maîtriser les écoulements d’eau dans le réseau. Il existe plusieurs types de vannes qui satisfont à des besoins variés : Les vannes d’isolement permettent d’isoler certains tronçons du réseau qu’on veut inspecter, réparer ou entretenir. La distance qui sépare les vannes doit être telle que la longueur des conduites mises hors service ne dépasse pas 400 mètres. Idéalement, là où les conduites se croisent, le nombre de vannes doit être égal au nombre de branches moins un.

Les vannes de réduction de pression permettent de ramener la pression à une valeur souhaitée ou de réduire la pression d’une valeur prédéterminée.

Les vannes d’altitudes sont placées à l’entrée d’un réservoir élevé;

lorsque, dans ce réservoir, l’eau atteint son niveau maximal, la vanne se ferme sous l’effet de la pression de l’eau, et on évite ainsi que le réservoir déborde.

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2.4 Les poteaux d’incendie

Comme leur nom l’indique, les poteaux d’incendie installés sur un réseau de distribution d’eau fournissent aux pompiers l’eau dont ils ont besoin pour combattre les incendies. Ils sont également utilisés comme point d’accès au réseau. La distance qui sépare les poteaux d’incendie ne doit pas excéder 180 mètres. On doit garder les poteaux d’incendie vide de toute eau en période hivernale. Pour assurer leur protection contre le gel, les poteaux d’incendie sont installés dans un lit de pierre concassée nette. Le poteau d’incendie comprend à sa base un drain qui assure l’écoulement de l’eau dans le réservoir granulaire. Pour les bornes installées dans un secteur ou la nappe phréatique est élevée, il est possible de boucher ces drains et de procéder au pompage de ces bornes avant la période hivernale ou de verser à l’intérieur de la borne une quantité suffisante d’antigel de type alimentaire. Une vanne d’isolement doit être installée sur chaque conduite de raccordement des poteaux d’incendie

2.5 Les entrées de service

L’entrée de service souvent appelée branchement, relie la conduite de distribution du réseau au domicile de l’utilisateur. Pour ces entrées de service, on utilise des conduites d’au moins 20 mm de diamètre en cuivre ou en plastique. Ces conduites sont raccordées sur la conduite du réseau au moyen d’une vanne de prise. Une vanne d’isolement généralement située sur la limite de propriété permet par ailleurs d’isoler le domicile de l’utilisateur. En général on ne raccorde pas d’entrée de service à une conduite dont le diamètre est supérieur à 300 mm. Le col de cygne aménagé sur l’entrée de service a pour but d’éviter que celle-ci se brise lors de mouvements de terrain.

2.6 Les ventouses

On installe les ventouses aux points élevés du réseau dans le but d’évacuer les poches d’air qui s’y accumulent. Les ventouses permettent également de faire pénétrer l’ai dans les conduites lorsqu’un vide se crée, évitant

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ainsi la formation d’une pression négative qui risquerait d’entraîner l’écrasement des conduites ou l’aspiration d’eau impropre à la consommation. On n’installe toutefois pas de ventouses sur les conduites de 300 mm de diamètre ou moins, car ces conduites évacuent l’air directement dans les entrées de service et les équipements domestiques.

2.7 Les butées et attaches

Lorsqu’on fait dévier une conduite d’aqueduc pour lui donner une nouvelle direction, une force intérieure s’exerce sur l’accouplement qui joint les tronçons de conduite. En l’absence d’une force extérieure, l’accouplement installé aux endroits où il y a changement de direction des conduites serait disloqué. Pour cette raison, on installe une butée de béton derrière l’accouplement ou encore on pose des attaches spéciales sur les joints entre les tronçons de conduite, de part et d’autre de l’accouplement.

2.8 Pressions minimales et maximales La pression en tout point du réseau de distribution ne doit jamais descendre en dessous de 140 kPa au niveau de la rue lorsque le réseau est sollicité par une demande journalière maximale en plus du débit d’incendie. La pression maximale ne devrait pas excéder 760 kPa.

2.9 Profondeur d’enfouissement des conduites Dans la région de Montréal, les conduites de distribution d’eau doivent

être enfouies à au moins 1,85 m sous la chaussée si on veut qu’elles ne gèlent. Dans les régions plus froides, l’enfouissement doit être plus important.

De plus, on doit s’assurer que les conduites d’aqueduc soient situées à au moins 300 mm au dessus d’une conduite d’égout et que la distance minimale horizontale entre ces deux conduites soit également de 300 mm. Advenant qu’il soit impossible de respecter cette distance verticale, on devra alors espacer les deux conduites d’une distance horizontale d’au moins 3 mètres.

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3.0 LES RÉSEAUX D’ÉGOUT

Le réseau d’égout sanitaire transporte les eaux usées d’origine domestique, c’est-à-dire les eaux de consommation domestiques, après usage, les eaux provenant des commerces et des établissements industriels et certaines eaux dites parasites.

Le volume d’eaux usées domestiques déversé dans les égouts sanitaires représente en général de 60 à 80% du volume total des eaux distribuées. Ces eaux doivent être traitées avant d’être déversées dans l’environnement. Le réseau d’égout pluvial est destiné à canaliser les eaux de ruissellement, lesquelles résultent essentiellement des pluies et de la fonte des neiges. Habituellement, ces eaux sont déversées dans un cours d’eau récepteur sans qu’on les soumette à un traitement. Les débits d’eau de ruissellement sont beaucoup plus importants que les débits d’eaux usées sanitaires. Le réseau d’égout unitaire canalise les eaux usées sanitaires et pluviales. De nos jours, la construction de réseaux d’égouts unitaires est interdite au Québec; en effet, de tels réseaux rendent l’épuration des eaux d’égout très difficile, ou à tout le moins très coûteuse, principalement à cause des grandes variations de débits et de la forte dilution des eaux usées d’origine domestique qu’ils entraînent lorsqu’il pleut ou lors de la fonte des neiges. Le réseau d’égout pseudo-séparatif reçoit les eaux usées d’origine domestique et certaines eaux pluviales, soit celles provenant des drains de fondation et des drains de toit. Ce type de réseau d’égout n’est également plus autorisé au Québec. 3.1 Les débits d’eaux usées sanitaires

La capacité d’un réseau d’égout sanitaire est établie comme suit : diverscaptmoydomsan QQQFPQQ +++×= infmax )()( Où : (Qsan)max = Débit sanitaire maximal (Qdom)moy = Débit domestique moyen FP = Facteur de pointe Qinf = Débit d’infiltration Qcapt = Débit de captage Qdivers = Débit commercial, industriel, …

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Au Québec, le débit unitaire moyen d’eaux usées domestiques est de 320 litres/personnes/jour. Le facteur de point (FP) se calcule à l’aide de l’équation suivante : 1506,0)(742,1 −×= moydomQFP avec une valeur maximale de ″4″ si (Qdom)moy ≤ 0,004 m3/s

et une valeur minimale de ″2″ si (Qdom)moy ≥ 0,4 m3/s Le débit d’infiltration sera mesuré dans un réseau existant ou évalué à 60 litres/personne/jour dans le cas des réseaux projetés. Le débit de captage est également mesuré dans le réseau existant ou évalué à 50 litres/personne/jour pour les réseaux projetés.

3.2 Les débits d’eaux usées pluviales

Il existe une vaste gamme de méthodes de calcul des débits de ruissellement en milieu urbain, selon qu’on tient compte du seul débit maximal ou de la variation du débit de ruissellement en fonction du temps (hydrogramme). En Amérique du Nord, la méthode de calcul dite ″Rationnelle″, qui permet de calculer le débit de ruissellement maximal, jouit encore d’une très grande popularité. L’équation rationnelle s’exprime de la façon suivante : RIAQ ×××= 00275,0 Où : Q = Débit (m3/s) A = Superficie du bassin versant urbain (ha) I = Intensité de la précipitation (mm/h) R = Coefficient de ruissellement L’intensité de la précipitation pour la région de Montréal peut être évaluée à l’aide de l’équation suivante :

Bt

MIc +

=

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Où : tc = temps de concentration du bassin versant (min)

Intensité de la précipitation mm/h

Intervalle de récurrence (années)

M B

0,25 533,4 5 0,5 863,6 7 1 1244,6 9 2 1778,0 12 5 2184,4 12 10 2743,2 14

Le temps de concentration (tc) relatif à un bassin versant urbain est le temps le plus long que peut mettre l’eau qui ruisselle sur ce bassin versant pour atteindre la décharge. Il correspond à la somme du temps d’entrée (te) du sous-bassin le plus éloigné et du temps d’écoulement (tf) dans les conduites depuis ce sous-bassin jusqu'à la décharge. Le temps de concentration d’un bassin versant urbain est donc : fec ttt += Le temps d’entré peut être évalué grâce à l’équation suivante :

385,0

77,00195,0s

FLte××

=

Où : te = temps d’entrée (min) L = distance maximale parcourue par l’eau sur la surface (m) s = pente moyenne du chemin parcouru par l’eau (m/m) F = facteur relatif à la surface Surface gazonnée : F = 2 Surface de béton au asphaltée : F = 0,4 Le temps d’écoulement se calcule pour une conduite coulant pleine avec l’équation suivante :

v

Lt f ×=

60

14

Où : tf = temps d’écoulement (min) L = Longueur de la conduite (m) v = vitesse de l’eau lorsque la conduite coulant pleine (m/s) Le coefficient de ruissellement moyen pour un bassin versant donné est déterminé à l’aide de l’équation suivante :

∑∑=

i

ii

ARA

R

Où : Ri est déterminé par le tableau suivant :

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3.3 Les conduites

On utilise généralement les conduites en matière plastique pour les conduites de petits diamètres. En plus d’être légères, ces conduites sont pourvues de joints étanches et elles sont offertes en tronçons de grande longueur. Par contre, la flexibilité des matières plastiques entraîne l’ovalisation des conduites sous l’effet des charges si on n’installe pas de façon appropriée l’assise et le remblai. Les conduites d’égout en béton armé préfabriqué sont les plus utilisées. Afin d’éviter l’infiltration d’eau aux raccordements des branchements, on doit recourir à des pièces spéciales comme des tés préfabriqués et des sellettes conçues spécifiquement pour les branchements. Ces conduites résistent très bien aux charges mortes et aux charges vives. Par contre, elles sont sujettes à la corrosion due aux acides et les conduites de grands diamètres sont difficiles à manipuler à cause de leur poids élevé. Le diamètre minimal des conduites d’égout est de 200 mm dans le cas des conduites d’égouts sanitaires et de 300 mm dans celui des conduites d’égouts pluvial.

3.4 Les regards d’égout

Les regards d’égouts sont des ouvrages de première importance dans les réseaux d’égouts, étant donné qu’ils permettent d’accéder à une conduite pour y effectuer des tâches d’entretien et qu’ils assurent la ventilation dans le réseau qui facilite l’évacuation des gaz. Le regard est constitué d’une base d’un diamètre minimum de 915 mm, une cheminée de 915 mm de diamètre et une tête sur laquelle sont installés le cadre et le tampon de fonte. Des garnitures de caoutchouc et des cordons de butyle assurent l’étanchéité des joints entre les sections. La distance maximale qui sépare deux regards d’égout varie en fonction des diamètres des conduites qu’ils relient; elle est ainsi de 120 mètres pour les conduites de 200 à 900 mm de diamètre et de 150 mètres pour celles de plus de 1200 mm de diamètre. Les regards d’égout doivent être installés :

• au début d’un réseau; • aux changements de direction des conduites; • aux changements de diamètres et de pentes des conduites;

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3.5 Les bouches d’égout

Les bouches d’égout sont des éléments propres aux réseaux d’égout pluvial. Une bouche d’égout a pour fonction de collecter, habituellement en bordure de rue, les eaux de ruissellement. La bouche d’égout est installée sur une dalle de 1050 mm de diamètre et est constituée d’une base et de sections de 610 mm de diamètre. La bouche est complétée par une tête sur laquelle on installe un cadre et une grille de fonte. L’étanchéité entre chaque section est assurée par des cordons de butyle. Finalement, une cloche est installée à l’intérieur de la bouche afin d’empêcher les débris de pénétrer dans la conduite de raccordement. Les bouches d’égout dont la capacité hydraulique maximale est de 30 L/s sont réparties uniformément de chaque côté de la rue, le lon des bordures et des trottoirs. La distance qui sépare les bouches d’égout peut varier de 45 à 90 mètres.

3.6 Les entrées de service

Les entrées de service permettent d’acheminer vers l’égout les eaux usées en provenance des habitations. En plus du branchement sanitaire, qui permet d’acheminer les eaux usées d’origine domestique vers l’égout sanitaire, il existe le branchement pluvial qui assure l’évacuation des eaux de drainage provenant des drains de fondation. On utilise habituellement des conduites de 100 à 150 mm de diamètre pour réaliser ces branchements.

3.7 Les pentes et les vitesses d’écoulement La vitesse minimale d’écoulement dans les conduites gravitaires coulant à pleine capacité doit atteindre 0,6 m/s afin d’éviter que les matières solides ne se déposent. La vitesse maximale doit être limitée à 4,5 m/s pour éviter l’usure et la détérioration excessive, par abrasion, des conduites et des regards. Dans le but de maintenir une vitesse d’au moins 0,6 m/s, on devra installer les conduites avec une pente minimale tel que mentionné dans le tableau suivant :

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Diamètre de la conduite (mm)

Pente minimale (%)

200 0,40 250 0,28 300 0,22 375 0,15 450 0,12

525 et plus 0,10

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RÉFÉRENCES

BRIÈRE, FRANÇOIS G., Distribution et collecte des eaux, Éditions de l’École Polytechnique de Montréal. 1994. MINISTÈRE DU DÉVELOPPEMENT DURABLE ET DES PARCS, Directive No. 001, 1984. MINISTÈRE DU DÉVELOPPEMENT DURABLE ET DES PARCS, Directive No. 004, 1989.

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