Protection anti-bélier

M i n i s t re d e l A g r i c u l t u re , d e l A l i m e n t a t i o n , d e l a P ch e e t d e s A f f a i re s r u ra l e sFNDAE n 27Document technique

Guide mthodolgique dtudes anti-blier pour les rseaux deau au

Florent Guhl

Groupement de Bordeaux UR Ouvrages et rseaux hydrauliques 50, avenue de Verdun Gazinet 33612 Cestas Cedex Tl. 05 57 89 08 01

Ce guide est la synthse dun travail collectif associant : MM. Jean-Louis GAGNON et Olivier TRIDON de Vivendi Water M Frdric EVIN de Diadme Ingnierie M. Claude FRANGIN de Eau-Service-Projet M. Jean-Marie MATRINGE de Charlatte MM. Bernard BREMOND et Patrick EISENBEIS du Cemagref (groupement de Bordeaux) diffrentes tapes de la ralisation de ce guide, la validation du contenu a galement t soumise : M. Jean ANDRE, Direction de lespace rural et de la fort au ministre de lAgriculture, de lAlimentation, de la Pcheet des Affaires rurales (MAAPAR)

M. Emile ROCHE, Conseil Gnral du GREF au MAAPAR

Crdit photographiqueCouverture Bernard Brmond, 2000, Cemagref. p. 3, 7, 21, 29 et 31 Bernard Brmond, 2000, Cemagref.

Ministre de lAgriculture, de lAlimentation, de la Pche et des Affaires rurales ISBN 2-11-092854-9 ; Cemagref 2002 Cemagref ditions ISBN 2-85362-596-6 Guide mthodologique dtudes anti-blier pour les rseaux deau. Florent Guhl (Cemagref) Document technique FNDAE n 27, 2002. 1re dition coordonne par le Cemagref : conception et cration graphique : Julienne Baudel ; infographie : Franoise Peyriguer. Dpt lgal : 2e trimestre 2002 Document disponible sous forme numrique sur le site http://www.eau.fndae.fr. Pour les tirages papier, les demandes sont adresser au Cemagref, DSIC /IST, Parc de Touvoie, BP 44, 92163 Antony Cedex. Tl. 01 40 96 62 85, fax. 01 40 96 61 64.

Avertissement

Ce

guide est destin aux ingnieurs ou techniciens chargs soit de prciser le cadre dune tude anti-blier, soit de raliser cette tude, soit de diagnostiquer une protection anti-blier dj ralise. Il a deux objectifs : donner un cadre llaboration dun cahier des charges pour la ralisation dune tude de protection anti-blier, an de bien prciser les hypothses de dpart prendre en compte (les donnes de base du calcul ainsi que les niveaux de scurit respecter) et dviter ainsi toute ambigut dans les rsultats des calculs, aider la mise en uvre dune tude anti-blier et la prsentation des rsultats Ce document est compos de deux parties : une premire partie, dans laquelle sont prsents, de manire la plus complte possible, les diffrents points prendre en compte lors dune tude anti-blier, une deuxime partie, dans laquelle sont prsents des exemples de calculs anti-blier, qui, en fonction des hypothses de dpart et des objectifs, peuvent donner des rsultats contradictoires. Ce document a donc un objectif pratique de mise en uvre dune tude anti-blier et na pas la prtention de dnir nouveau les mthodes de calcul anti-blier. En cas de besoin, le lecteur se rfrera au document de Maurice Meunier, intitul Les coups de blier et la protection des rseaux deau sous pression dont la premire dition est de dcembre 1980. Rappelons les objectifs dune tude anti-blier : dterminer les pressions minimales et maximales pouvant survenir sur un rseau deau, la suite dune manuvre ou dun vnement exceptionnel (coupure ou rupture de lalimentation lectrique par exemple),

dnir les lments mettre en place an que les pressions restent dans les limites des pressions minimales et maximales admissibles au niveau des canalisations et des diffrents organes qui composent le rseau.

Sommaire

CHAPITRE I COMPOSANTESLECADRE NORMATIF ET CONTRACTUEL

DUNE TUDE ANTI-BLIER

p. 7 p. 7 p. 8 p. 9 p. 17

SPCIFICATION LES LESDONNES CALCULS

DES RGIMES TRANSITOIRES TUDIS

CHAPITRE II CASCAS N 1 : CAS N 2 :

I L L U S T R AT I F S

p. 21 p. 21

OUVERTURE ET FERMETURE DUNE ALIMENTATION GRAVITAIRE PROTECTION DUNE SRIE DMMEUBLES SITUS ENTRE UNE STATION

DE POMPAGE ET UN RSERVOIR DQUILIBRE ANNEXE

p. 25 p. 29

CHAPITRE 1

COMPOSANTES DUNE TUDE ANTI-BLIER

Le cadre normatif et contractuelUne tude anti-blier doit se conformer un cadre rglementaire et contractuel. Ce cadre est dni par diffrents textes ainsi que par les prescriptions du matre douvrage.

refoulement des eaux uses, defuents industriels ou deaux de ruissellement ou de surface et en particulier ses articles 15 et 53.3 ainsi que son annexe A, paragraphes 3 et 4.2 ; La norme NF EN 805 intitule Alimentation en eau Exigences pour les rseaux extrieurs aux btiments et leurs composants .

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LES TEXTES DE RFRENCEQuatre textes simposent des degrs divers. Le fascicule n 71 intitul Fourniture et pose de canalisation deau, accessoires et branchements et en particulier larticle 32.4 Prescriptions spciales aux appareils anti-blier ; Le fascicule n 73 (en cours de rvision) intitul quipement hydraulique, mcanique et lectrique des stations de pompage deaux dalimentation et usages industriels ou agricoles et en particulier les articles 14 Protection du rseau et 50.3 Essais et preuves ainsi que son annexe A, paragraphe 3 et 4 ; Le fascicule n 81 Titre 1er (en cours de rvision) intitul Construction dinstallations de pompage pour le relvement ou le

LE CADRE PROPOS PAR LE MATRE DOUVRAGELe Cahier des clauses techniques particulires, tabli par le matre douvrage, permet de prciser le cadre de ltude anti-blier. Il doit contenir : les donnes et prescriptions concernant les lments du rseau, les phnomnes lorigine de lventuel coup de blier, les tapes de ltude, avec ventuellement, dans le cas de rseaux neufs, des retours sur le calcul, une fois que le matre duvre aura bien prcis les quipements nalement retenus (type de pompe ou matriaux de canalisation, par exemple).

Guide mthodologique dtudes anti-blier pour les rseaux deau

Spcication des rgimes transitoires tudisLe but est de dtailler les donnes techniques du cahier des charges concernant ltude mener. Il sagira dtudier et de dnir le ou les rgimes initial(aux), puis dexaminer les diffrents scnarii pouvant provoquer des phnomnes transitoires.

permettant dactualiser cette courbe, pour les canalisations : le matriau, le diamtre intrieur, le coefcient de rugosit et la longueur, pour les points de consommation : les dbits moyens de consommation ainsi que la modulation de ces dbits, pour les rservoirs : la cote du plan deau et le mode dalimentation (ainsi que la cote de surverse le cas chant), pour les autres organes : le coefcient de perte de charge quils engendrent. Comme dans tout calcul de rgime permanent, il sera ncessaire, pour les installations existantes, de sassurer du calage des rsultats sur la ralit. La phase de calage se fera partir de mesures de terrain.

LES RGIMES PERMANENTS INITIAUXLe rgime permanent initial doit correspondre au rgime permanent le plus dfavorable pour ltude du rgime transitoire. Ce rgime permanent initial tudi peut tre diffrent de celui observ lors de la priode de pointe de consommation. De plus, la conguration la plus dfavorable pour obtenir lenveloppe des pressions minimales peut tre diffrente de celle qui conduit lenveloppe des pressions maximales.

LORIGINE DU PHNOMNE TRANSITOIREUne fois le rgime permanent connu, il est ncessaire de dnir les vnements qui peuvent tre lorigine dun ventuel coup de blier. Nous rappelons ici que le prsent guide ne sintresse quaux coups de blier survenant sur un rseau en fonctionnement. En particulier, nous ne nous intressons pas, dans ce guide, au rgime transitoire ayant lieu lors de la mise en eau (ou de la remise en eau aprs arrt) dun rseau sous pression. Les consquences dune mise en eau mal effectue peuvent tre aussi importantes que celles rsultant dun coup de blier. Cette mise en eau devra tre donc faite dans les rgles de lart. Ces rgles ne seront pas rappeles ici. De la mme faon, ce guide ne prend pas en compte les phnomnes transitoires rsultant dune interaction entre un appareil et le rseau (ex : battement, coup de clapet, ). Nous distinguons donc les cas de coups de blier suivants : incident (notamment lectrique) provoquant larrt de la pompe ou larrt simultan de plusieurs pompes, mise en marche dune ou plusieurs pompe(s),

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Le rgime permanent initial dpendra de la conguration du rseau et des lments qui le composent. Par exemple, en cas dexistence dun rservoir, la cote initiale retenue sera le niveau bas du rservoir, si le phnomne transitoire risque dentraner une baisse de pression. Lorsquil est incertain de choisir ce rgime permanent initial le plus dfavorable, il sera ncessaire dtudier plusieurs rgimes permanents. On indiquera galement si le rgime permanent est susceptible dvoluer dans le temps avec lventuelle volution de la capacit de production du rseau (mise en route de tranches supplmentaires sur une station de pompage par exemple), avec la dgradation dans le temps du matriel (volution des rugosits des conduites, par exemple) ou avec la uctuation de la demande. Les donnes concernant les rgimes permanents sont les mmes que lors dune tude hydraulique simple : pour les pompes : la courbe caractristique complte si possible par des points de mesure


ouverture ou fermeture dun robinet disolement. Dans certains cas, on tiendra compte de manuvres lies au domaine priv. Il sagit des gros consommateurs, type industriel ou agricole, ou des immeubles qui possdent un surpresseur. Cependant les consquences de ces manuvres devront donner lieu ltablissement de protections locales. Il faudra prciser sil est ncessaire dexaminer la simultanit de ces vnements. Par exemple, ce sera le cas lorsque plusieurs stations de pompage se trouvent alimentes par le mme poste lectrique, une coupure engendrant alors larrt simultan de ces stations. Dans le cas dinstallations existantes, il est ncessaire de dcrire, le cas chant, les protections anti-blier existantes.

ments souds). Le choix des pressions minimales admissibles dpendra galement de la nature du uide transport. On sinterdira par exemple de tolrer toute pression minimale admissible infrieure 0 dans une conduite deau potable, vu le risque de contamination dans ce cas (conformment la rglementation sanitaire). On peut se reporter lannexe A, paragraphe 3, du nouveau fascicule 73 dnissant, dans diffrents cas, les valeurs de pressions minimales acceptes ; la rugosit des diffrentes canalisations, la clrit de propagation des ondes dans chaque canalisation. Si cette valeur est difcile obtenir (en particulier, pour les conduites anciennes) il est prfrable de majorer la valeur communment admise pour le matriau constituant la conduite, les contraintes de disponibilit des installations (possibilit de se passer dune partie des dbits pour des oprations de maintenance).

Les donnesLES DONNES COMMUNES TOUTES LES TUDES

LES QUIPEMENTSOn peut trouver, sur un rseau, diffrents quipements, recenss dans les paragraphes suivants, dont les caractristiques sont connatre pour une tude de protection anti-blier. Il peut sagir galement dquipements projets qui seront installs lors de la mise en uvre du projet. Dans ce cas, il faudra tenir compte in ne des quipements rellement retenus avant de conclure ltude de rgime transitoire. En gnral, les donnes ncessaires au calcul sont fournies dans les ches techniques des quipements. Si la marque et le type des quipements projets ne sont pas encore connus au moment de ltude, les hypothses ncessaires lexcution des calculs devront tre valides une fois toutes les donnes connues. On sattachera alors bien vrier les calculs une fois toutes les donnes connues. Nous ferons lhypothse pour lensemble de ces quipements quil ny pas de phnomnes de dgazage. Cette hypothse signie que lcoulement considrer dans le rseau sera monophasique (compos deau en labsence dair).

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Dans tous les cas, il faut connatre : la fonction principale du rseau et la nature du uide transport : eau potable (transport ou distribution), eaux brutes, eaux uses... les donnes topologiques du projet. Dans le cas dinstallations existantes, il faut connatre le prol en long prcis de la conduite (localisation des points hauts mme si ceux-ci ne ncessitaient pas de protection jusqualors) ainsi que son diamtre intrieur ; la localisation, le type et la valeur des demandes de consommation dans le cas dun rseau de distribution deau potable, deaux brutes ou dirrigation ; les pressions maximales et minimales admissibles des conduites. Elles sont dtermines en tenant compte des caractristiques des canalisations mais aussi des joints entre ces canalisations (joints mcaniques ou l-


Figure 1 Types dalimentation dun rservoir

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LES RSERVOIRSArrt de la 1re pompe Arrt de la 2e pompe

Le premier lment prciser est le type dalimentation du rservoir (cf. gure 1). Si lalimentation ou la sortie du rservoir se fait par le fond, il est ncessaire de connatre les niveaux extrmes de variation de leau dans celui-ci. Il peut sagir des niveaux radier et tropplein ou des niveaux haut et bas de poires de contact pour la mise en route dune pompe. En cas de surverse, il faut connatre la cote de cette surverse. Sil existe plus de deux poires de contact enclenchant successivement plusieurs pompes, il faut connatre les associations niveau dans le rservoir/nombre de pompes comme sur lexemple reprsent la gure 2. On formulera une hypothse sur le niveau dans chacun des rservoirs correspondant aux scnarii et aux rgimes permanents retenus au paragraphe Spcication des rgimes transitoires tudis . En fonction des quipements rencontrs dans la chambre de vannes attenantes au rservoir, il est utile dvaluer les pertes de charge singulires lentre et la sortie.

Mise en route de la 1re pompe Mise en route de la 2e pompe

Figure 2 Exemple dindexation de pompes sur les niveaux dans un rservoir


Figure 3 Courbes caractristiques dune pompe vitesse variable

LES POMPESIl faut examiner en dtail ce qui se passe lorsque la pompe est arrte. Il est possible quil subsiste un dbit dans le sens habituel de traverse de la pompe voire dans le sens inverse. Il faut vrier linuence de la prise en compte, ou non, de linertie des pompes sur lamplitude du coup de blier. Dans le cas o cette inuence serait signicative, il faut obtenir la valeur de linertie auprs du constructeur de la pompe et du moteur. Si, pour des pompes dj en place, une protection par volant dinertie existe, il est ncessaire de tenir compte galement de cette inertie. Les clapets ou les robinets commands, prsents laval de la pompe, doivent tre connus avec prcision (position, ordre de fermeture et pertes de charge occasionnes). Sil existe une conduite permettant un coulement en by-pass de la pompe, il faut donner les caractristiques de cette conduite ; cest-dire principalement sa longueur, son diamtre, les quipements prsents sur cette conduite ainsi que les pertes de charge dues ces quipements.

Les donnes relatives une pompe sont synthtises sous la forme dune courbe caractristique donnant le dbit en fonction de la HMT (Hauteur manomtrique totale). Il est important de rappeler que les pompes vitesse variable ne constituent pas une protection contre lapparition de phnomnes transitoires. En particulier, leur utilisation est inoprante si le phnomne transitoire rsulte de larrt de lalimentation lectrique de la pompe. Lutilisation de la vitesse variable permet dobtenir un point de fonctionnement stable lorsque lon veut maintenir une pression ou un dbit donn en rgime permanent. La gure 3 prsente un ensemble de courbes caractristiques correspondant diffrentes vitesses.

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Figure 4 Courbe dvacuation dair petit dbit

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Figure 5 Entre et sortie dair grand dbit

LES VENTOUSESElles se trouvent en gnral sur les points hauts. Il faut bien distinguer les ventouses permettant lvacuation dair de celles permettant, galement, lentre dair pour une lutte contre les pressions relatives ngatives (cf. les deux graphiques sur les gures 4 et 5), mais qui ne peuvent fonctionner que de manire exceptionnelle pour les rseaux deau potable. En revanche, elles peuvent jouer un rle plus tendu lorsque le rseau transporte de leau non destine la consommation (eaux brutes ou eau

destine lirrigation) ou lors du remplissage du rseau et ce quel que soit le type deau. Il faut connatre le diamtre de la ventouse ainsi que les coefcients de perte de charge lentre et la sortie. Les diffrentes cotes altimtriques sont galement ncessaires, en particulier, la cote de lorice par rapport la gnratrice suprieure de la conduite. Une ventouse na pas un comportement linaire en fonction du temps et de la pression. Une tude prcise devrait tenir compte notamment du retard, donc de la abilit et de lefcacit


relles de cet appareil, sa mise en dbit lors de son ouverture, mais cette donne essentielle est difcile obtenir. La fermeture de la ventouse est prendre en considration. Le retard la fermeture est souvent bien plus important (plusieurs diximes de seconde) que le retard louverture. Ce retard peut occasionner des rgimes transitoires. Certains constructeurs proposent des ventouses fermeture contrle la n de la purge. Il faut tenir compte de la prsence de cette fonctionnalit. Dans tous les cas, il faudra poursuivre les simulations au-del de la fermeture des ventouses, an de bien englober ces phnomnes de n de purge.

Dans tout calcul, et en particulier dans les simulations informatiques, les points o sont placs les ventouses sont des points o rgne une pression proche de la pression atmosphrique (soit la pression atmosphrique, soit une valeur lgrement infrieure du fait des pertes de charge dans la conduite). Cest pourquoi, il est indispensable dans le choix des nuds de modlisation de prvoir un ou plusieurs nud(s) intermdiaire(s) entre deux nuds o sont modlises des ventouses pour connatre les diffrentes pressions le long de la conduite.

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Figure 6 Caractristique dune soupape

LES SOUPAPES ANTI-BLIERLeur rle est dliminer localement les pressions suprieures une valeur donne, dnie par la pression de tarage. Il faut connatre la pression de tarage ainsi que les pertes de charge dans le branchement. Il existe aussi un temps de raction avant le dbut de la dcharge dune soupape sauf dans le cas de dchargeur par anticipation. Ce temps de raction est fortement li la distance entre la soupape et le point de la conduite protger. Pour que sa raction soit conforme celle annonce par le constructeur, une soupape doit fonctionner de faon prfrentielle dans la partie linaire du graphique de la gure 6.


LES CLAPETSIl existe diffrentes technologies de clapets : battant, double battant, disques concentriques, boule, membrane, etc. Le rle commun tous les clapets est dempcher lcoulement du uide dans un sens. Dans le cadre de ltude des rgimes transitoires, il faut connatre la caractristique dynamique dun clapet cest--dire les diffrents degrs de fermeture en fonction de la dcroissance du dbit dans la conduite. Il faut tre vigilant, lorsque plusieurs clapets sont installs en srie. Cette conguration peut ventuellement entraner des problmes trs importants de rexions multiples des ondes et de coups de clapet. Les clapets boule sont proscrire avec les appareils compression dair car cela entrane un risque de coup de clapet.

Il faut connatre la caractristique de la vanne cest--dire la perte de charge lie au degr douverture. On peut par exemple exprimer la valeur du coefcient de perte de charge,[ not et exprim dans la formule suivanteH = K V2 2g

]

en fonction du degr douverture du robinet. Une fois ces coefcients de perte de charge exprims, on peut reprsenter des courbes du type des gures 7 et 8. Pour pouvoir intgrer un robinet de sectionnement dans un scnario de calcul, il est ncessaire de connatre la loi de comportement dans le temps de lactionneur pilotant le robinet. Ces informations couples avec celles des graphiques du type de celui de la gure 7 et de la gure 8 permettent de connatre le temps partir duquel le dbit transitant dans le robinet de sectionnement peut tre considr comme nul. Si la manuvre du robinet de sectionnement nest pas tudie, il est important de connatre sa position (ouvert, ferm ou ouverture partielle).

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LES ROBINETS DE SECTIONNEMENTOn regroupera sous ce mme paragraphe les robinets-vannes et robinets papillon ainsi que tous les organes de sectionnement comme les bornes dirrigation, les poteaux dincendie ou les bouches de lavage.

Figure 7 Courbes de pertes de charge pour chaque degr de fermeture dun robinet papillon


15Figure 8 Courbes de pertes de charge pour chaque degr de fermeture dune vanne opercule

LES BOUTS MORTSIl sagit dextrmits de rseau, pour lesquelles le dbit appel laval est nul. Lors de lapparition dun phnomne transitoire, les bouts morts engendrent une rexion donde qui peut amplier dangereusement le phnomne.

LES APPAREILS DE RGULATIONNous regroupons dans la mme prsentation les diffrents stabilisateurs de pression. En rgime permanent, leur rle est le suivant : ! pour les stabilisateurs aval : maintenir la pression en dessous dune valeur de consigne laval de lappareil ; ! pour les stabilisateurs amont : maintenir la pression au-dessus dune valeur de consigne lamont de lappareil ; ! pour les stabilisateurs amont-aval : combiner les deux fonctions prcdentes en un seul appareil.

Lors dune tude de rgime transitoire, on peut distinguer deux types de stabilisateurs : ceux ayant un temps de raction court leur permettant de changer leur degr douverture, en fonction du passage des ondes de pression/ dpression et ceux ayant un temps de raction plus long qui pourront tre considrs comme une perte de charge singulire, lors de ltude du rgime transitoire. Dans ce dernier cas, qui, en labsence dinformations particulires sera celui retenu, la valeur du coefcient de perte de charge adopt sera celui engendr par le stabilisateur lors du rgime permanent initial. Pour tout autre appareil de rgulation de la pression ou du dbit, le mme raisonnement pourra tre appliqu.


16LES BALLONS ANTI-BLIER

Figure 9 Schma simplifi dun rservoir ARAA

Il faut connatre le volume dair et le volume total ainsi que les conditions de pr-gonage. Il faut galement savoir sil sagit dun ballon avec ou sans membrane ou vessie. Les conditions de connexion du ballon la conduite qui dnissent les coefcients de perte de charge lentre et la sortie du ballon doivent tre connues (donnes constructeur ou organes asymtriques).

Il nest pas possible dutiliser un mme ballon comme ballon de rgulation et comme ballon anti-blier. On peut, en effet, avoir besoin de la fonction anti-blier au moment o le volume servant la rgulation est au plus bas. Par consquent, le volume de ballon qui assurerait les deux fonctions serait trs important.

LES CHEMINES DQUILIBREIl faut connatre leur gomtrie mais aussi leurs conditions de connexion traduites par deux coefcients de perte de charge singulires, lun lentre et lautre la sortie de la chemine.

LES BALLONS DE RGULATIONMme sils peuvent, dans certains cas, avoir une action anti-blier, ils sont distinguer des ballons anti-blier. En effet, ils sont dimensionns partir du fonctionnement en rgime permanent, an de jouer le mme rle quun rservoir classique. Il faut connatre la stratgie de rgulation, cest-dire les pompes mises en route en fonction de la pression dans le ballon.

LES

ANTI-BLIER AUTOMATIQUE (ARAA)RSERVOIRS

RGULATION

Une chemine-ballon ou ARAA combine le rle de chemine et de ballon. Pour ce dispositif (reprsent de faon simplie gure 9), il faut connatre la gomtrie, le volume de la cham-


bre de compression, le volume du tube ainsi que la forme du fond de la cuve. Il faut galement connatre les conditions de connexion du ballon la conduite que lon peut exprimer sous la forme de coefcients de perte de charge ainsi que les diffrentes cotes avec, en particulier, la cote de lextrmit du tube.

ainsi que tous les nuds sur lesquels se trouve un quipement. Enn, on sattachera placer au moins un nud intermdiaire entre chaque quipement, en particulier entre deux ventouses, pour viter le problme voqu au p. 12 Les ventouses . Les nuds dextrmit On veillera bien dnir les extrmits, et notamment bien distinguer les bouts morts des bornes de consommation ou des rservoirs. Le niveau de simplication du schma Comme dans toute simulation hydraulique, dans le cadre dune tude sur un rseau complet et dans le but de simplier le calcul, il nest pas ncessaire de conserver tous les nuds et tronons. On veillera conserver les nuds et les tronons importants, du point de vue du phnomne transitoire, sans oublier de reporter les donnes de consommation, le cas chant. Le niveau de schmatisation du fonctionnement des quipements Ce niveau de schmatisation est li aux donnes proposes par le logiciel. Pour un ballon anti-blier par exemple, outre son volume, il sagira de dnir le type de dtente envisage, les pertes de charge lentre et la sortie (en fonction du diamtre du piquage notamment).

Les calculsLes mthodes de calcul la main telles que les pures de Bergeron peuvent tre utilises. Cependant, elles sont trs lourdes, longues, fastidieuses et la dmarche assez complique pour entraner des risques derreur, dautant quelles ne peuvent tre envisages raisonnablement que sur des tronons simples. On conseillera donc dutiliser les logiciels existant sur le march, tout en mettant en garde les utilisateurs de ne prendre ces logiciels que pour des outils de calcul. Ils ne doivent pas empcher la rexion ainsi quune bonne apprhension du problme. Le charg dtudes devra clairement identier le logiciel quil a utilis. La abilit des rsultats fournis par ce logiciel devra pouvoir tre vrie par le matre douvrage (par le biais dune liste de rfrence par exemple).

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LMENTS POUVANT AVOIR UNEINFLUENCE SUR LE RSULTAT DES CALCULS

MTHODEUn calcul doit tre ralis pour chacun des scnarii proposs dans le cahier des charges. Ses objectifs sont doubles : valuer les risques de coup de blier sans protection, proposer une ou plusieurs protections antiblier le cas chant. valuation du risque de coup de blier Avant dvaluer le risque de coup de blier, il est ncessaire :

Outre les donnes concernant les quipements (cf. 1.3.2), certains points, laisss au libre choix du charg dtudes, peuvent avoir une inuence sur le calcul. Ils sont rpertoris cidessous. Les nuds dcrire On veillera respecter le mieux possible la topographie du terrain, et donc connatre avec prcision ces donnes. Dans le cas contraire, il faut absolument connatre au minimum : les points hauts, les points bas, les points correspondant un changement de pente important,


deffectuer un calcul en rgime permanent, an de vrier que lon se trouve bien dans les conditions xes par le cahier des charges. (bonnes cotes pizomtriques, bons dbits) de tracer la courbe enveloppe de pressions admissibles pour chacun des tronons de conduite. Le calcul en rgime transitoire peut alors seffectuer. Il seffectue en deux temps : une premire fois sur un temps de calcul assez court, puis, au cas o les pressions resteraient au sein de la courbe enveloppe, sur une priode plus longue. En effet, certains phnomnes apparaissent aprs un dlai et peuvent amplier les1LES BALLONS ANTI-BLIER

pressions. Cest le cas des appareils vacuation dair qui, en se fermant en n de purge, peuvent crer un pic de pression dont la propagation peut tre dangereuse. Calcul dune protection anti-blier Concernant les protections anti-blier, il est ncessaire de dnir : leur emplacement, leur type et leurs dimensions. Les protections anti-blier existantes sont au nombre de sept.

Conditions dutilisation Aucune restriction particulire. tre nanmoins vigilant la compatibilit entre le uide vhicul et le revtement intrieur Fonction Rle anti-blier Rserve de uide pouvant scouler dans le rseau Stockage/restitution dnergie mcanique Lois de la thermodynamique des gaz (tre vigilant lutilisation des pressions absolues et relatives) Spcier les conditions de pr-gonage, les pertes de charge dues au branchement (en entre et en sortie du ballon) et les informations altimtriques

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Calcul Mise en garde

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LES CHEMINES DQUILIBRE

Conditions dutilisation A priori aucune restriction sauf lors du transport deau potable dans le rseau o il faudra veiller la protection sanitaire. Pour limiter la taille de la chemine, son utilisation nest possible que dans le cas de faible hauteur de refoulement. Fonction Rle anti-blier Calcul Transformation dun coup de blier en phnomne doscillation en masse Stockage/restitution dnergie mcanique Section assez importante pour ne pas entraner la vidange totale lors du passage dune sous-pression et hauteur sufsantes pour viter le dbordement au passage dune surpression Spcier les pertes de charge dues au branchement et le calage altimtrique

Mise en garde


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LES ARAA (OU CHEMINES BALLON)

Conditions dutilisation Aucune restriction, est choisi la place dun ballon anti-blier lorsque la contrainte Pmin> Pa (pression minimale lendroit o lon veut placer le ballon toujours suprieure la pression atmosphrique) imposerait un volume de ballon trop important Fonction Rle anti-blier Calcul Mise en garde Rserve dnergie potentielle et lastique Stockage/restitution dnergie mcanique Lois de la thermodynamique des gaz Il faut spcier la gomtrie et les calages altimtriques

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LES DISPOSITIFS DENTRE DAIR

Conditions dutilisation

Ne peut servir de protection anti-blier pour de leau potable que pour des vnements exceptionnels et en des points hauts Entre dair Lutter localement contre les pressions infrieures la pression atmosphrique

Fonction Rle anti-blier

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Calcul Mise en garde Il peut y avoir un dlai de mise en admission

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LES SOUPAPES ANTI-BLIER

Conditions dutilisation Fonction maximale Rle anti-blier Calcul Mise en garde

Aucune restriction vacuation dun dbit en fonction du dpassement dune pression crter les pressions trop fortes Loi de pression/dbit Tenir compte des pertes de charge au branchement


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LASPIRATION AUXILIAIRE

Conditions dutilisation Fonction Rle anti-blier Calcul

Utilisable uniquement dans le cas de hauteur de refoulement faible. Remplissage de la conduite depuis la bche daspiration par une conduite en by-pass. crter les dpressions laval de la pompe. La rfrence de pression est soit le niveau de la bche daspiration soit un autre lieu (cours deau dans le cas deaux uses). Si lon utilise une autre rfrence de pression que la bche daspiration, il faut vrier que des problmes de surpression napparaissent pas alors.

Mise en garde

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LES VOLANTS DINERTIE

Conditions dutilisation

viter lorsque la pompe est amene dmarrer souvent. Incompatible avec une pompe immerge. Augmentation du temps dannulation du dbit. crter les dpressions laval de la pompe. Passage par une loi dbit rsiduel/temps .

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Fonction Rle anti-blier Calcul Mise en garde

Le choix des dimensions de la protection antiblier se fait par calculs successifs jusqu obtenir une courbe enveloppe des pressions incluse dans la courbe enveloppe des pressions admissibles. Une fois les dimensions dnies, un deuxime calcul doit tre ralis sur une dure de calcul plus longue comme dans le cas des calculs de vrication de protection existante. On vriera alors les volumes ncessaires la protection et son fonctionnement.

les et maximales calcules avec et sans protection anti-blier compares aux pressions admissibles dnies dans le cahier des charges, les valeurs des pressions pour ltat permanent initial et pour ltat permanent nal, la (ou les) protections anti-blier choisie(s), sa (leur) description et les conditions de mise en uvre. Il est important de rappeler les conditions de pr-gonage dun ballon anti-blier (voir annexe). Le charg dtudes fera la synthse des diffrents scnarii tudis et proposera au matre douvrage une ou plusieurs solutions en faisant nettement ressortir les cots et les risques couverts et ceux non couverts (probabilit doccurrence du scnario trs faible).

LA PRSENTATION DES RSULTATS lissue des calculs et aprs en avoir rappel les hypothses de dnition, on fournira pour chacun des scnarii : les courbes enveloppes des pressions minima-


CHAPITRE 2

CAS ILLUSTRATIFS

An de mettre en perspective les lments mthodologiques apports dans la premire partie, il est apparu intressant de dvelopper deux cas dtude simples. Lobjectif de la prsentation de ces cas nest pas de couvrir lensemble des possibilits dune tude anti-blier. Il ne sagit pas non plus de montrer les erreurs ne pas commettre au cours dune telle tude. Le but de ce chapitre est plutt damener des lments plus concrets que ceux de la premire partie.

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Figure 10 Profil en long de la conduite protger

Cas n 1 : ouverture et fermeture dune alimentation gravitaireDESCRIPTION DU PROBLME POSIl sagit ici dtudier les risques datteindre, en rgime transitoire, des pressions infrieures la pression atmosphrique le long dune conduite damene deau brute depuis une chemine dquilibre jusquau droit dune usine comportant trois chanes de traitement de leau.

La canalisation prise en compte pour ltude est celle existante de ladduction gravitaire DN 800 / DN 700 entre la chemine dquilibre et lusine de production deau potable. Le prol en long de cette conduite est prsente la gure 10. La clrit de la canalisation en fonte a t prise 1200 m/s et deux valeurs de rugosit ont t prises (0,6 et 0,2 mm) en labsence de mesures de terrain. Le marnage dans la chemine dquilibre varie du niveau 3,18 m 4,97 m et les cotes tropplein et radier de cet ouvrage sont respectivement de 57,64 m et 50,7 m.


Une vanne DN 450 situe sur la canalisation DN 700 prs de lusine de production deau potable permet de rguler le dbit 800 m3/h ou 1200 m3/h en fonction du nombre de les de traitement en service (2 ou 3). Trois vannes motorises identiques DN 400 situes lamont de chaque le de traitement permettent larrt et louverture de ladduction gravitaire deau brute. La dure actuelle de manuvre de ces trois vannes est de trois minutes tant en ouverture quen fermeture.

avec une rugosit de 0,6 mm). Il est donc possible, lorsque le niveau de leau dans la chemine dquilibre est bas, que la ventouse fonctionne en ce point, ce qui est tout fait anormal en exploitation courante. Si les mesures conrment le fonctionnement de la ventouse en rgime permanent, la meilleure solution pour viter ce fonctionnement consiste modier le marnage dans la chemine dquilibre (marnage entre 5 et 6 m). Ceci aura bien sr pour consquence daugmenter lgrement la consommation nergtique ainsi que la frquence de dmarrage des pompes qui alimentent le tronon en amont de la chemine dquilibre. Cette disposition est dailleurs ncessaire pour viter toute dpression au point critique lors de louverture simultane des trois vannes sans tre oblig dallonger considrablement le temps de manuvre de ces vannes comme nous allons le voir ci-aprs. Dans le cas de la fermeture simultane des trois vannes dans les conditions actuelles, une dpression importante autour du point haut est provoque avec une valeur la plus critique denviron 5 m CE. Par ailleurs, loscillation de pression dure plus de 30 minutes cause des faibles pertes de charge, ce qui est prjudiciable pour la remise en service de ladduction (cf. gure 11). Par ailleurs, on remarque que la valeur de la rugosit est sans inuence sur lamplitude du phnomne. On xera donc, par la suite, la valeur de la rugosit 0,6 mm.

SPCIFICATION DES RGIMES TRANSITOIRESTUDIS

RGIME PERMANENT INITIALLe choix du rgime permanent initial est assez immdiat puisque les deux seules variables sur lesquelles un choix peut tre fait sont le niveau dans la chemine dquilibre et la valeur du coefcient de rugosit. Pour le coefcient de rugosit, nous avons vu que nous garderons deux possibilits. Pour ce qui concerne le niveau de leau dans la chemine dquilibre, il est vident que le plus dfavorable est celui pour lequel la cote pizomtrique est la plus basse cest--dire 53,88 m.

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SCNARII TUDISDeux vnements seront tudis. Il sagit, dune part, de la fermeture simultane des trois vannes dalimentation des lires de traitement et dautre part, de louverture simultane de ces mmes vannes.

RSULTATS DES DIFFRENTS SCNARIILes simulations de fonctionnement du rseau en rgime transitoire ont t ralises laide du progiciel Cebelmail .

FERMETURE SIMULTANE DES TROIS VANNESEn rgime permanent, le niveau pizomtrique au point le plus critique (point haut pour lequel la cote de la conduite est de 50 m) est proche de la pression atmosphrique (0,7 m CE dans lhypothse dune rugosit de 0,2 mm et 0 m CE


Figure 11 Fermeture simultane des trois vannes en situation actuelle

Bien que lon puisse admettre une pression infrieure la pression atmosphrique, puisquil sagit deau brute et non deau potable, on prfrera une solution sans pression ngative et avec un phnomne oscillatoire limit en amplitude et en dure de faon viter respectivement la prsence de poches dair qui, outre laugmentation des pertes de charge peuvent provoquer des coups de blier et une usure prmature des joints.

Pour rsoudre le problme de coup de blier provoqu par la fermeture simultane des vannes, la solution la plus efcace est dallonger le temps de manuvre de ces vannes. La gure 12 montre quavec une dure de quatre minutes et un plan deau la cote minimale de 53,9 m, il ny a plus de problme au point critique.

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Figure 12 Fermeture simultane des 3 vannes en 4 minutes


OUVERTURE SIMULTANE DES TROIS VANNESLouverture simultane des trois vannes semble poser a priori moins de problme de dpression tant en ampleur quen dure. En effet, le

niveau pizomtrique au point critique plonge denviron deux mtres et se stabilise la valeur de 50 m partir de 200 secondes (cf. gure 13).

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Figure 13 Ouverture simultane des trois vannes en situation actuelle

Mais pour viter toute dpression en ce point, il faudrait allonger considrablement le temps de manuvre des vannes (prs de onze minutes), la cote pizomtrique en rgime tabli tant beaucoup trop proche de la cote sol. Avec un plan deau dans la chemine dquilibre la cote minimale de 55 m, il faudra un

temps douverture de six minutes pour viter toute dpression au point critique (cf. gure 14). Avec une rugosit plus faible (0,2 mm), ce temps pourrait tre ramen cinq minutes, mais il faut tenir compte du vieillissement de la conduite.

Figure 14 Ouverture simultane des trois vannes en six minutes avec un plan deau dans la chemine dquilibre 55 m


CONCLUSION DES DIFFRENTS SCNARIILe fonctionnement actuel de ladduction gravitaire nest pas satisfaisant tant en rgime permanent, mauvais trac initial de la canalisation avec un point haut marqu trs dfavorable, quen rgime transitoire. La solution consiste, dune part, modier le marnage de la chemine dquilibre (cote minimale de 55 m) et dautre part, doubler le temps de manuvre actuel des vannes.

graphique du prol en long du refoulement nous identions une srie dimmeubles pour lesquels des phnomnes dentre dair ont t identis. Les pressions ngatives apparaissant au troisime et dernier tage de ces immeubles ont t mesures. Il a t possible de vrier que le phnomne tait li larrt des pompes de la station de refoulement. La station de refoulement comporte trois pompes. En situation normale, une seule pompe fonctionne alors quen secours il est possible den faire fonctionner deux. Actuellement, un ballon anti-blier de 2 m3 est plac laval de la station de pompage.

Cas n 2 : protection dune srie dimmeubles situs entre une station de pompage et un rservoir dquilibreDESCRIPTION DU PROBLME POSIl sagit maintenant dtudier les conditions de protection dimmeubles et en particulier du dernier tage de ceux-ci. Sur la reprsentation

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Figure 15 Profil en long de la conduite principale


SPCIFICATION DES RGIMESTRANSITOIRES TUDIS

RGIME PERMANENT INITIALIl nest pas vident de choisir le rgime permanent initial le plus dfavorable. Nous retiendrons celui o les demandes sont les plus leves, entranant le plan de charge de rgime permanent le plus bas auquel correspondent les phnomnes de pression les plus faibles.

sante. Concrtement nous souhaitons obtenir une pression de lordre de 4 5 m CE, alors que dans le deuxime cas, nous accepterons dobtenir pendant un temps court une pression lgrement ngative au dernier tage et viserons simplement une pression positive au pied de limmeuble.

RSULTATS DES DIFFRENTS SCNARIIPour ce deuxime cas illustratif, cest galement le progiciel Cebelmail qui a t utilis pour les diffrentes modlisations.

SCNARII TUDISNous tudierons deux scnarii. Le premier consiste en larrt ou la disjonction dune seule pompe. Nous pourrons considrer quil sagit l dun vnement normal et ventuellement frquent. Le deuxime scnario consiste tudier larrt ou la disjonction des deux pompes simultanment dans le cas o ce mode dalimentation du rseau serait utilis, cest--dire lorsque lalimentation se fait en secours. Dans le premier cas, nous viserons ce que la pression au dernier tage des immeubles (considr 9 m au-dessus de la cote sol) soit suf-

ARRT OU DISJONCTION DUNE SEULE POMPEAvec le ballon anti-blier actuel dun volume de 2 m3, les derniers tages des immeubles connaissent une pression infrieure la pression atmosphrique lors de larrt ou de la disjonction dune seule pompe. Nous pouvons observer ce rsultat de calcul conforme la mesure effectue sur place par le graphique suivant de la gure 16.

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Figure 16 Disjonction dune pompe avec un ballon de 2 m3


On peut alors choisir de rajouter un ballon supplmentaire de 2 m3. On obtient alors une

pression minimale de 1,8 m CE au troisime tage en cas darrt dune pompe.

volution de la pression au troisime tage des immeubles

Figure 17 Disjonction dune pompe avec deux ballons de 2 m3 chacun

ARRT OU DISJONCTION DE DEUX POMPESSi lon repart de la conguration obtenue lissue du calcul prcdent, cest--dire deux ballons de 2 m3 chacun, on obtient alors une

pression toujours positive au sol en cas darrt simultan des deux pompes comme le montre la gure 18.

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Figure 18 Disjonction des deux pompes avec une protection de deux ballons de 2 m3 chacun


Le rsultat obtenu lors de la simulation de larrt ou de la disjonction des deux pompes est positif mais la pression obtenue aux derniers tages des immeubles est insufsante lors de larrt dune seule pompe. Nous pouvons alors

tester la raction de ce systme si nous adjoignons un ballon de 4 m3 au ballon de 2 m3 existant actuellement. Les rsultats prsents Figure 19 montrent que les objectifs xs sont atteints grce aux deux ballons anti-blier.

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Figure 19 Disjonction des deux pompes avec un ballon de 4 m3 en plus du ballon de 2 m3

CONCLUSION DES DIFFRENTS SCNARIILtude des diffrents scnarii permet de retenir lajout dun deuxime ballon anti-blier en plus du ballon de 2 m3 existant. Ce nouveau ballon sera dun volume de 4 m3 pr-gon 6 bars. Grce ces deux ballons la pression

de service sera convenable un peu plus de 0,4 bar au dernier tage des immeubles en fonctionnement normal du rseau. Avec cette capacit totale de ballon, la pression minimale au sol en cas de disjonction de deux pompes la station serait denviron 0,7 bar.


ANNEXEDtermination du volume dun ballon anti-blier

Cette annexe reprend les points essentiels de la note dinformation n 15 du Conseil gnral du gnie rural des eaux et des forts rdige par M-E. Roche et intitule Dimensionnement final des ballons anti-blier .

NotationsLensemble des notations utilises est dfini sur la figure suivante.Vs Ps (rgime permanent de pompage)

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Vs Ps (statique)

Vmax Pmin (PVy = constante)

Vt P min (isotherme) Vtc P g (isotherme)

Fin de vidange

Marge m1


Mthode retenirLe calcul en rgime transitoire a t utilis en utilisant la loi P.V dans laquelle varie de 1 (isothermevidanges lentes) 1,4 (adiabatique vidanges rapides). La valeur intermdiaire = 1,2 est gnralement retenue. Ce calcul aboutit dterminer la pression Pmin et le volume dair Vmax en fin de vidange. Pour la suite du calcul, il faut adopter la loi P.V = constant (isotherme loi de Mariotte) car le ballon gonfl, ainsi qu ltat statique ou en rgime permanent de pompage, est lquilibre thermique. On peut donc crire : Vt = POVO Pmin

Remarque : Vt > Vmax pour > 1 et lcart peut tre important. Cest donc Vt et non Vmax qui permet de dimensionner le ballon. Prenons Vtc (volume total commercial) > Vt Do Pg (pression de gonflage du ballon vide deau) : Pg = Vtc

Vmax Les marges de scurit sexpriment alors par les formules suivantes :"

en isotherme :

m1 =

Vtc Vtm2 =

30

"

la vidange (rgime transitoire) :

Vtc Vmax

Meilleure utilisation du ballonSi la marge m1 est sufsante, il est possible dadopter une pression dnitive Pg > Pg , ce qui permet de mieux utiliser le ballon Vtc choisi (enveloppe de dpression plus haute). Do VO = Vtc Pg PO et Vt = POVO Pmin

Dans le cas o lon obtient Vtc > Vt on peut rednir de nouvelles marges de scurit : Vtc" m1 =

Vt Vtc Vmax

"

m2 =


Rsum

La ralisation dtudes de protection des rseaux deau contre les phnomnes de coup de blier savre souvent dlicate. Pour que de telles tudes se passent bien il est ncessaire que les hypothses et les scnarios tudier soient clairement prciss par le matre douvrage. Ce guide prsente les diffrents lments dtailler pour raliser une tude anti-blier. Il propose galement deux cas concrets dtudes illustrant les tapes mettre en uvre.

Abstract 31The management of water hammer protection studies in water networks is often difficult. To facilitate such studies, the assumptions and the scenarios studied should be clearly specified by the network owner. To carry out a water hammer protection study, the different elements to be detailed are presented in this document. Two practical cases illustrating the stages to be done are also put forward.


Les documents techniques du FNDAEN1 2 3 4 5 5 bis 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Dsignation de l'ouvrageL'exploitation des lagunages naturels Dfinition et caractristiques techniques de fonctionnement et domaine d'emploi pour les appareils de dsinfection Manuel pratique pour le renforcement et l'tanchit des rservoirs d'eau potable Plan de secours pour l'alimentation en eau potable Les stations d'puration adaptes aux petites collectivits Les stations d'puration Dispositions constructives pour amliorer leur fonctionnement et faciliter leur exploitation Les bassins d'orages sur les rseaux d'assainissement Le gnie civil des bassins de lagunage naturel Guide technique sur le foisonnement des boues actives Les systmes de traitement des boues des petites collectivits limination de l'azote dans les stations d'puration biologiques des petites collectivits L'eau potable en zone rurale Adaptation et modernisation des filires de traitement. Rdition 1998 Application de l'nergie photovoltaque l'alimentation en eau potable des zones rurales Lutte contre les odeurs des stations d'puration Les procds membrane pour le traitement de l'eau et de l'assainissement Financement du renouvellement des rseaux d'adduction d'eau potable La gestion collective de l'assainissement autonome Bilan des premires expriences Les nouvelles techniques de transport d'effluents La dcantation lamellaire des boues actives Guide sur la gestion de la protection des captages d'eau potable dansles valles alluviales Connaissance et matrise des aspects sanitaires de l'pandage des boues d'puration des collectivits locales tudes pralables au zonage d'assainissement. Guide mthodologique l'usage des techniciens Filires d'puration adaptes aux petites collectivits Application des nergies renouvelables la potabilisation et lpuration des eaux Performances des systmes de traitement biologique des graisses Traitement de lazote dans les stations dpuration des petites collectivits Insufflation dair fines bulles. Application aux stations dpuration en boues actives des petites collectivits Guide mthodologique dtudes anti-blier pour les rseaux deau potable

Parution1985 1986 1986 1986 1986 1992 1988 1990 1990 1990 1990 1992 1996 1993 1996 1993 1993 1996 1994 1997 1998 1998 1998 1999 2001 2002 2002 2002

Documents hors srie

Documents hors-srieHS 4 HS 5 HS 9 HS 10 HS 11 HS 12 HS 13 limination des nitrates des eaux potables Les diffrents procds de stockage des boues d'puration avant valorisation en agriculture Les pollutions accidentelles des eaux continentales 1993 1993 1995 1994 1998 1998 2000 1993 1993 1997 1997

Le renouvellement des rseaux d'eau potable L'utilisation des eaux uses pures en irrigation La dgradation de la qualit de l'eau potable dans les rseaux Le contrle et lentretien des installations dassainissement non collectif. tat de la rglementation et bilan des services publics de gestion des installations. INV90NA Situation de l'alimentation en eau potable et de l'assainissement dans les communes rurales en 1990. Synthse nationale 1990 INV90DE Synthse nationale et rsultats dpartementaux 1990INV95NA Situation de l'alimentation en eau potable et de l'assainissement dans les communes rurales en

1995. Synthse nationale 1995 INV95DE Synthse nationale et rsultats dpartementaux 1995

NB : certains numros sont puiss. Tous les documents techniques FNDAE sont disponibles sous forme numrique sur le site http://www.eau.fndae.fr. Pour obtenir des tirages papier, les commandes sont adresser au Cemagref, DSIC/IST, BP 44, 92163 Antony Cedex. Tl. 01 40 96 62 85, Fax 01 40 96 61 64.

Protection anti-bélier

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