ENSA OUJDA
Cours des barrages Barrages en terres
•Introduction Barrages en terres sont des ouv ouvrages, don dont plus de moit oitié de son volume est formé par es matéri ériaux fins fins prév préven enan antt des des zones ones d’empreinte, cons constr trui uits ts en maté matéria riaux ux natur naturel elss sans sans adjonc adjoncti tion on de lian liant. t. Le term erme « terr erre » couvr ouvre e donc donc tout oute une une gamm amme de matéri ériaux aux alla allant nt de l’argile pure pure très très Fine Fine à des des élém léments ents très très gros grossi sier ers. s. Dans ans cert certai ain ns cas cas même, ême, on uti utilise des des roche ochess alté ltérées ées facilement compactables, tels que des lat érites, des schistes et gr és tendres etc Les volum olumes es à mettr ettre e en œuvre pour pour la cons constr truct uctio ion n d’un barr barrag age e en terre erre sont sont en géné généra rall impo import rtan ants ts : 5 à15 fois plus que pour un barrage en béton du type poids susceptible d’être réalisé sur le même site site .Pou .Pourr des des peti petits ts ouvr ouvrag ages es,, il est est fréq fréque uent nt d’avoir à compacter de 20000 à 100000 m3en terre . Les grands barrages ages néce écessitent des millions et même ême des dizaines de millions de m3. Le transport et la mise en œuvre des matériaux sont donc des éléme éments essentiels du prix de revient. Le transport sur de lon longues gues dist istances nces dev devien ient vit vite trè très oné onéreux. eux. Sauf Sauf pou pour des des matériau riauxx part partiicul culier iers, comm omme la terr erre destinée à la construction du noy noyau ou les enrochem hements de qualité, des des distances de 2000 000 à 3000 m doiv doiven entt être être cons consid idér érées ées comm comme e le maxi maximu mum m envi envisa sage geab able le.. Le massif sera donc souvent constitué de plusieurs zones formées de terres de caractéristiques différentes.
La construction de ces types d’ouvrages d’ouvrages hydrauliques, hydrauliques, bien que très ancienne, a beaucoup évolué évolué dans ces dernières dernières années à raison raison de de :
Progrès de la mécanique des sols et de l’instrumentation ;L’ ;L’emploi des matériels performant pour l’extraction, le transport, et la mise en ouvre des matériaux. Ces dernières années, leur cout relatif à beaucoup diminué par rapport aux barrages en béton. Notons que les barrages en terre sont tres sensibles à la submersion, submersion, leur leur sécurité
beaucoup accrue. Ceci due aux progrès que la conception de ce type d’ouvrage d’ouvrage a connue. La hauteur des barrages en terre a considérablement augmentée. augmentée. En effet, avant 1939, une hauteur de 100 m était exceptionnelle. En 1947, le record était détenu par le barrage d’ANDERSON RANCH avec 150m, « en 1968 le barrage d’Oroville a constitué un nouveau record avec 235m. viennent d’être mis en service en 1974 les barrages de MICA ( sur fleuve Columbia Columbia )au Canada avec 242m et 1979 le barrage en enrochement avec avec un noyau de terre de NUREK en URSS (au Tadjikistan )avec 317m.
•II- Caractéristiques des matériaux Les matériaux utilisés dans la construction des barrages en terres compactée doivent , en principe, satisfaire aux conditions suivantes : Avoir une forte résistance au Avoir une
cisaillement,
imperméabilité suffisante
Etre insoluble dans l’eau, la terre utilisé ne doit pas contenir de particules de gypse Doit
être exemple ou avec une teneur très faible en matière organique
Etre économiques exploitables et facilement mis en place
III- Conception des barrages •
La hauteur totale du barr age Ht
Ht = HN+Hc+R
•
Larg eur de a crête
La largeur de la crête d’un barrage en terre doit être suffisante pour limiter le gradient hydraulique à la retenue. il doit également permettre la circulation des engins pour la finition de l »ouvrage et ultérieurement pour son entretien, pratiquement la largeur
en crête d’un barrage en terre n’est jamais inferieur à 3m.
On adopte souvent une largeur égale au 1/3 de la hauteur du barrage. Comme on peut calculer la largeur de la crête Lc par des formules empiriques parmi lesquelles on cite :
Formule T.T. KNAPPEN . L c =1,65 Ht 1/2
Expression de PREECE. Lc =1,10 (Ht
+1)1/2
Formule française 1/3
Lc =3,60 H t
-3
Formule d’USBR ( United States Bureau of Reclamation) LC = Ht/5 + 3
Pente des talus
•
La pente des talus du barrage en terre est fixée par la condition de stabilité mécanique du massif et de ses fondations. En ce qui concerne le massif, pour déterminer la pente des parements on se donne en général des pentes qui apparaissent Optimales, compte tenu la natures des matériaux, et on vérifié par une étude de stabilité que le barrage présente une sécurité suffisante avec ces pentes. La fondation du barrage doit être stable de point de vue mécanique. On ne doit donc pas
considérer seulement le massif du barrage mais l’ensemble du massif et la fondation. Lorsque les fondations sont de mauvaise qualité, argileuse par exemple, on est conduit à
diminuer la pente des talus en élargissant l’embase de l’ouvrage. Ainsi pour les terres les plus stables à granulométrie étendue, on pourra généralement prendre les pentes suivant 2.5/1 à l’amont et 2/1 à l’aval . pour les matériaux argileux , et si
le barrage ne dépasse pas 15 m de hauteur on peut prendre 3/1 à l’amont et 2.5/1 a l’aval. Dans des cas des grands barrages en terres argileux sans massifs stabilisateurs, il faudra encore adoucir ces pentes.
Largeur de labase du barrage Largeur de la base du barrage LB LB = (m1+m2)Ht+Lc Avec Ht : hauteur totale du barrage m1 la pente du talus amont
IV- Types des barrages en terres
Il existe trois schémas principaux de structures de barrage en terre: Barrage homogène Barrages à noyau Barrage à masque amont •
•
•
a- Barrage homogène
Barrage homogène
Ils sont totalement construits avec un seul matériau qui est le plus souvent argileux remplissant simultanément les deux fonctions d’écran et de masse. Ce matériau doit présenter des caractéristiques permettent de garantir une étanchéité suffisante et une stabilité du remblai. Ces types d’ouvrages sont munis d’un dispositif de drainage dans sa partie aval et des dispositifs de protection mécanique contre l’effet de batillage dans sa partie amont
Ces ouvrages comportent toujours un système de drainage : Soit au pied du talus aval un cordon de matériaux perméables et résistants qui est employé seul pour les ouvrages de faible hauteur et en liaison avec les autres systèmes de drainage pour les ouvrages importants Soit un tapis drainant au contact de la fondation sous la partie aval du massif Soit
un drain interne au contact de la fondation entre l’aplomb de la crête et le milieu du talus aval : Drain –band relié à l’aval par des cordons drainants. Drain vertical ( Cheay drain) à l’intérieur du massif un peu en arrière de la crête et complété par un tapis drainant. Ce drain, parfois, est incliné vert l’amont. Le drain vertical est particulièrement efficace quant le remblais a une grande anisotropie de
b- Barrage à noyau
C’est un massif de plusieurs zones, la fonction d’étanchéité est assurée par un noyau étanche réalisé en matériaux imperméables . Ces types d’ouvrages sont adopté dans le cas où la quantité des matériaux imperméables disponibles sur site est insuffisante pour réaliser tout le corps du barrage. Ce type de barrages présente toutefois des inconvénients suivantes: -Mise en œuvre plus compliquée et onéreuse surtout si la vallée est étroite et où le travail mécanisé devient plus compliqué; -Relativement couteux; -Etre difficilement réparables en cas de fuites - La nécessité de séparer par des filtres de transition les différentes zones; Par contre, pour les ouvrages importants, les matériaux grossiers de recharges sont plus résistants que les matériaux argileux, on peut donc construire des talus plus raides et on contrôle mieux les écoulements dans le corps du barrage. Selon la position du noyau on distingue : barrage a noyau central Barrage à noyau incliné Parfois remplacé par un diaphragme en béton au ciment ou bitumineux.
b1- Barrage à noyau central Le noyau , partie la plus imperméable , est disposé symétriquement ou presque sous
l’aplomb de la crête. Cette disposition est fréquemment adoptée car elle correspond au traitement de fondation de longueur minimale, par contre , la mise en place des divers matériaux ne peut pas être décalée. noyau augmente vers le bas, de manière à y maintenir un gradient hydraulique inferieur à un seul fixe . La stabilité du massif sera assurée par des zones perméables appelées recharges. Ces recharges dépondent des conditions spécifiques à chaque barrage. Les recharges peuvent
être constituées d’enrochements ou d’alluvions. Elles permettent d’assurer la stabilité du barrage, alors que le noyau central assure son étanchéité. Il est Plus stable qu’un barrage homogène, grâce aux recharges, les barrages à noyaux permettent de construire des talus
plus raides. De plus le risque d’écoulement dans le corps du barrage est plus limité grâce à ces enrochements.
b1- Barrage à noyau incliné
L’élément étanche ou très peu perméable, comme par un noyau en limon argileux peut dans certains cas être
déplacé vers l’amont jusqu'à l’élimination complète du corps amont .On obtient la solution d’une digue à noyau incliné. Plus le noyau est incliné plus la pente du parement amont est conditionnée par les propriétés mécaniques du matériau du noyau. Les surfaces potentielles de glissement traversent le noyau et la pente du parement amont est donc plus douce pour
garantir la stabilité. La masse du corps d’appuis aval augmente également ce qui représente un certain a tout pour le barrage. b3- Barrage à Diaphragme interne
L’étanchéité des barrages en terre au moyen de noyaux bitumineux a pris un très grande importance dans le monde entier et dans toutes les zones
Diaphragme en Béton
climatiques ; cet élément d’étanchéité (mieux que plus part des autres) satisfait, en effet, aux exigences de sécurité les plus strictes grâce à sa déformation,
sa bonne résistance à l’érosion et au vieillissement.
Recharge Amont
Recharge Aval
b3- Barrages en terre à masque amont Les barrages en terre à masque sont des remblais perméables avec un écran imperméable appelé masque placé sur le parement amont. Le corps du barrage est
construit avec un matériau quelconque pour autant qu’il soit peu déformable et pouvant assurer la stabilité au glissement de l’ensemble de l’ouvrage. Le masque qui assure l’étanchéité peut être en béton, en produits bitumineux ou en géo membrane. La présence de ce masque sur le parement amont présente un double avantage de pouvoir faire des réparations en cas de dégradation du masque et de permettre de faire des vidanges rapides sans risque de glissements.
V- Type et traitement des fondations Dans la plus parts des cas en cherche à réduire le plus possibles les infiltrations et les fuites on adopte certain traitement de fondation en réalisant soit: -Un écran d’étanchéité qui s’étend jusqu’à la couche imperméable; - un tapie étanche en amont connecté à l’organe d’étanchéité ; -Un parafouille sous le noyau ou organe d’étanchéité; Donc le traitement de fondation de barrage en terre , dans le cas de présence une ou plusieurs
couches perméable , se fait par l’une des solution : réaliser
un écran vertical coupant complètement ou partiellement les couches imperméables réaliser un tapis étanches horizontale
a) Ecran verticale Les méthodes suivantes peuvent être employées pour réaliser l’écran d’étanchéité vertical: - Tranché remplie de martiaux imperméables compactés jusqu’à une vingtaine de mètre de profondeur ; -
Ecran rigide en palplanches ( limité à des profondeurs de l’ordre de 20m) et en béton armé (soit dans une tranché étayée, soit sous forme de paroi moulée dans une tranchée stabilisée
-
à la boue de bentonite) jusqu’au une soixantaine de mètres ; Ecran d’étanchéité par injection
b) Tapis étanches horizontale Un tapis étanche horizontal amont peut remplacer l’écran vertical. Son rôle est de diminuer les fuite et les risques de renard, en allongeant vers l’amont les lignes d’infiltration. Il est néanmoins difficile d’obtenir une bonne étanchéité au moyen d’un tel tapis. Dans le but de bonne étanchéité, on ajoute au matériaux argileux des polymères synthétiques et de la bentonite.
L’épaisseur de du tapis est donnée par : Parafouille
e= x.L.KT T.KF Avec : KT : perméabilité du tapis KF: Perméabilités des fondation
L’épaisseur minimale est donnée par la formule suivante :
c) Types de fondation c1- Fondation sur couche imperméable Lorsque les fondation des barrages sont suffisamment imperméable la liaison barrage
fondation est réalisée par une tranché e d’ancrage remblayé e en matériaux étanche, destinée à éviter les infiltrations préférentielles le long de contact barrage fondation
.
Parafouille sous le noyau c2- Fondation sur sol per méable c2- 1- cas d’une couche perméable peu épaisse Si l’épaisseur de la couche n’est pas important et l’infiltration peuvent être contrôlée, on peut réaliser un parafouille : tranché e creusée jusqu’au substratum imperméable. Cette tranchée sera ensuite remblayée avec un matériau imperméable compacté.
c2- 2- cas d’une couche perméable épaisse Dans le cas d’une couche épaisse.( ou si les venues d’eau ne peuvent pas être métrisées ) on peu réaliser: Une paroi moulée Un parafouille profond •
•
Un rideau d’injection Un tapie d’etanchiété c2- 3- cas d’une couche imperméable reposant sur couche permiable Dans le cas d’une couche épaisse.( ou si les venues d’eau ne peuvent pas être métrisées )
•
•
on peu réaliser: Une paroi moulée Un parafouille profond •
•
Un rideau d’injection Un tapie d’etanchéité
•
•
c2- 4- Fondation sur sol impermiable imperméable reposant sur Substratum Ce type de fondation ( imperméable) peut consister en limon, argile. Dans ce cas on n’a pas de problème de fuite. Mais la présence de limon et argile requiert des investigations appropriées pour : Evaluer les problèmes de tassement et les tassement différentiel; •
Réaliser l’étude de stabilité de la digue et de sa fondation; Veiller à ce que le gradient hydraulique à l’aval n’entraine les fins ( effet de Renard) Le calcul des tassements s’impose pour les sols compressibles aussi bien pour dimensionner •
•
les ouvrages annexes que pour déterminer la flèche de la digue. Autrement la revanche peut être sous-estimée, d’où le risque de déversement par -dessus la digue.
C3- Fondation sur sol recheux C’est le meilleur type de fondation quand la fondation rocheuse est saine en effet: La résistance de la roche est supérieure à la resistance de tout remblai en terre . C’est donc •
une fondation très stable;
L’absence de risque d’érosion régressive
•
•
pour les roches saines , les fuites sont négligeables .
les problèmes que les fondations rocheuses peuvent présenter sont liés au l’existence de zones de faiblaisses tels que : faille ;Joints ,Zone de cisaillement;, stratifications et dissolutions Dans le cas du barrages en terre ,on cherche surtout à réduire les gradients hydrauliques au
voisinage du noyau par un écran d’étanchéité ( profondeur de l’ordre de la moitié de la charge hydrostatique). On cherche à voir des formes permettant un bon compactage en régularisant de la fondation Sous le noyau: fermeture de fissures multiple s soit par mortier fluide repondu au balai, soit par beton projeté fermeture de failles ou zones broyées par un bouchon du béton; Régularisation des arrets suppression des surplomb; Remplissage des cavité avec du béton;
Les fondations
V- Étude des infiltration dans le corps du barrage
Quelque soit la perméabilité des terres employés , il y a toujours de ‘eau qui s’infiltre. Le problème proprement dit des infiltrations soit ‘ l’intérieur du massif , soit dans la fondation , soit dans les deux. Donc ,la perméabilité dans un barrage en terre existe toujours.
Conditionnent la stabilité de l’ouvrage. L’étude d’infiltration dans le barrage et dans ces fondation permet d’évaluer les éléments suivants : l - La détermination des lignes de courant d’écoulement La ligne de saturation ou phréatique, - le débit de fuite de l’eau par infiltration, - l’épaisseur du drain.
a- ligne de courant et La ligne de saturation En un poin du barrage le potentiel hydraulique E peut etre exprimé par la somme de la cote Z et la pression hydrostatique en ce point E = P+Z L’écoulemnt de l’eau dans le corps du barrage et dans ses fondation est régi par la loi Darcy
La condition de continuité s'écrit : La charge h(x,z) satisfait donc à une équation de Laplace. C'est une fonction harmonique. Dans le cas d'un milieu anisotrope, on aboutit à l'équation
En pratique, la résolution de l'équation de Laplace consiste à rechercher : - les lignes équipotentielles pour lesquelles on a h = Cte, - les lignes de courant pour tout point M desquelles on a
Deux lignes de courant déterminent un tube de courant dans lequel I'eau circule sans sortir; le débit y est donc constant. La vitesse de décharge est d'autant plus faible que les lignes de courant s'écartent.
La ligne de saturation du massif de barrage est la ligne le long la quelle la pression hydrostatique
est nulle. C’est la ligne qui limite la zone sèche et la zone mouillée
Les équipotentielles et les lignes peuvent être déterminées par les différentes méthodes suivantes : Méthode analytique : cette méthode est assez compliquée pour construire des équipotentielle. Le calcul numérique:
Le calcul numérique est réalisé sur l’ordinateur, il peut résoudre le problème des infiltrations par le biais des programmes mis au point, afin de déterminer la position de la ligne de saturation, le potentiel hydraulique et, le débit de fuite. L’analogie électrique:
L’analogie électrique est basée sur le fait que le potentiel électrique est régi par la même loi que le potentiel hydraulique. Le modèle graphique Il représente une méthode simplifiée, la plus souvent utilisée. Cette méthode donne des
résultats approches, mais en général suffisants. L’écoulement des eaux d’infiltrations dans le barrage est régi par la loi de DARCY, V = K * i ( K : coefficient de perméabilité en (m/s) et i : le
b-Tracé de ligne de saturation Dans le cas d’une digue homogène drainée, reposant sur une assise imperméable, KOSENY a montré que la ligne de saturation (ligne phréatique) est une parabole d’axe horizontal, dont le foyer est le pied l’aval de la digue (ou l’extrémité amont du drain, auquel se raccorde la ligne phréatique). Elle a pour équation : y2 -y02- 2 xy0= 0 avec d: largeur du base du barrage diminué de 0,7b b : étant la projection horizontale de la partie mouillée du barrage Le parabole coupe le plan d’eau amont H: etant la hauteur d’eau en un point A situé à une distance de ce parement telle que AB = = 0.3b e Pour obtenir la ligne de saturation à partir de la parabole de Koseny on raccorde celle-ci à l’estimer avec le plan
d’eau ; mai normale au parement amont et tangente à la parabole.
À l’aval ; elle coupe nécessairement le parement aval en un point C. En fait la ligne phréatique réelle le coupe plus en bas en un point D sensiblement situé au 2/3 de OC, théoriquement tel que : DC/OD = 3/8.cos( )
En generale les barrage en terre sont menu d’un drain aval qui rabat a ligne de saturation du barrage dans ce cas l a parobole de Kozeny à pour foyer l’extrémité amont du drain, auquel se raccorde la ligne phréatique).
C- Calcul du débit de fuite par infiltration C1- débit de fuite à travers la digues ( corps du barrage) Connaissant le réseau des équipotentielles et des lignes de courant , on peut évaluer le débit de fuite en appliquant la loi de Darcy . Le débit de fuite par unité de largeur à travers le barrage est donné par : Q= K.I.A=K.Y0
C2- débit a travers de fondation permanant Dans le cas d’une fondation relativement perméable , ( figure ci après ),On admet que la longueur moyenne de courant est celle de la ligne de contact du massif imperméable avec la fondation ( B)
L= B+2F Le débit Q est alors
Q= ( T-F).K.H/(B+2F) par assimilation les lignes d’écoulement à des ellipses dont les foyers sont respectivement les extrémités amont et aval du noyau étanche , on trouve la formule qui donne une évaluation plu précise :
D- calcul du pression interstitielle Quant on dispose du réseau d’équipotentielle, il est aisé d’en déduire la pression inertielle en tout point . Soit à calculer cette pression en M 0 ( voir figure) A partir de M0 on trace , à l’estime , une courbe équipotentielle s’intégrant dans le réseau. Cette courbe coupe la ligne phréatique en un point M1 de potentiel égal a la cote de ce point qui est Z1. Donc Z1 = Z0 + P0 par suite la pression interstitielle en M0 est P 0 = Z1-Z0
dans le cas on ne dispose pas du réseau équipotentiel, on une bonne approximation de la pression interstitielle ,en prenant comme valeur P0= Z2-Z0 avec Z2 est la cote du point M2qui se trouve sur la verticale de M0
VI- Stabilité hydraulique- effet de Renard la circulation de l’eau d’infiltration au sien du corps du barrage et ses fondation peut mètre en danger la stabilité de l’ouvrage. Dans un sol saturé en eau et en équilibre hydrostatique, l’action de l’eau sur les grains du sol se résume à une poussée d’Archimède. Lorsqu’il y a écoulement, il y a perte de charge par dissipation d’énergie par frottements eau/grains du sol. Ainsi apparaissent sur les grains du sol, des forces dirigées dans le sens de l’écoulement et qui s’opposent à l’écoulement de l’eau. Soit un volume élémentaire du sol, dV , le bilan des forces s’exerçant sur lui correspond à trois forces (figure): Le poids, force verticale descendante : P = sat .V avec sat , le poids volumique du sol saturé, La poussée d’Archimède, force verticale ascendante : A = w .DV , avec w , le poids volumique de l’eau (10kN/m 3) La force d’écoulement : j = .i . La stabilité des sols traversés par l’eau dépend de cette force d’écoulement qui est d’autant plus grande que la vitesse de circulation l’est. j est une force volumique et i le gradient hydraulique (sans dimension). Grain V Ligne de courant
Force d’écoulement : w .i. V
Résultante verticale : ’ - w V avec ’= sat
Les forces d’écoulement sont souvent de même ordre de grandeur que la résultante de pesanteur et de poussée d’Archimède. Elles sont donc à prendre en compte dans les calculs de '
ic
stabilité des ouvrages. w
Il est à noter que lorsque l’écoulement est vertical descendant, les composantes des forces volumiques sont toutes portées sur z et auront une résultante égale à – ( '+ w .i)V . Dans le cas d’un écoulement vertical ascendant, la résultante sera égale à – ( ‘ - w .i)V
Dans un écoulement la composante verticale ascendante de la force d’écoulement génère un gradient hydraulique i vertical ascendant. Cette composante verticale de la force d’écoulement s’oppose directement à la pesanteur (figure) ; avec i suffisamment élevé, les grains sont entraînés par l’eau : c’est le phénomène de boulance. On définit un gradient hydraulique critique, ic, pour lequel la résultante des forces est nulle et donc les grains du sol à la limite d’être entraînés : ic
'
w
Figure :Les forces mises en jeu lors de la boulance
Il est nécessaire de vérifier que les gradients hydrauliques ascendants sont inférieurs au gradient critique lors de construction de barrage ou digue en terre, mais aussi lors de fouille dans un sol ou de construction sur un sol où ce phénomène est possible.
L’arrachement des grains est la première phase de l’érosion interne. Il crée de nouvelles conditions d’écoulement éventuellement plus menaçantes : augmentation des vides, modification des assemblages de composition des sols… Le sol devient plus décharné et plus perméable, permettant à l’eau de circuler à vitesse plus importante et/ou dans de nouveaux
Le phénomène d’arrachement comme la boulance est susceptible d’être accompagné d’un transport important des grains, déstabilisant les sols. Le phénomène de renard apparait dans des écoulements en milieu perméable comme les barrages ou digues en terre, dans la
direction d’écoulement de l’amont vers l’aval. Localement les vitesses d’écoulement augmentant peuvent atteindre le seuil d’entraînement des grains fins qui progressivement va « raviner » les lignes de courant de l’intérieur. Les éléments plus importants vont alors être entraînés, l’érosion progresse de manière régressive le long d’une ligne de courant, formant un conduit où s’engouffre l’eau de manière irréversible ( voir figure) Eau
Eau
Substrat
(a)
Substrat
Eau
Substrat
(b)
(c) Illustration du phénomène de renard dans une retenue d’eau par rideau de palplanche (a) Réseau d’écoulement sans perturbation, (b) Erosion interne en début de phénomène, le conduit s’élargit depuis la sortie, (c) renard hydraulique développé, rupture proch e
Le développement d'un renard hydraulique est conditionné par le gradient hydraulique au sein de la structure, de la différence de niveau h et de la propension de la structure à libérer des
particules. Ainsi, lorsque l’écoulement de l'eau dans la structure est long, l'eau ne développe pas la force pour pouvoir emporter des grains du sol. De même, si les grains du sol ont une grande cohésion (comme pour l'argile) il n'y a pas de transport de grain. Alors que dans un massif sableux qui présente une grande différence de niveau d'eau amont-aval et une faible
largeur de remblai la probabilité du développement d’un renard hydraulique est importante.
Le sol devient localement plus perméable, les vitesses d’écoulement augmentent, le phénomène s’amplifie avec l’élargissement de la conduite créée. Les conséquences sont la rupture du barrage soit par ouverture d’une brèche ,soit par effondrement de l’ouvrage avec submersion par une vague (figure). H
Illustration de l’effondrement de l’ouvrage avec submersion dus à un renard
Un renard peut survenir dans la fondation
L’apparition exacte du risque de renard est très difficile. Tout au plus peut -on dire que les matériaux fins, à granulométrie discontinue sont les plus dangereux.
A signaler particulièrement les sables fins argileux pouvant devenir boulant lorsqu’ils sont mouillés.
D’après ce qui précède, on voit que le risque est directement fonction du gradient de potentiel. Comme la hauteur H d’eau à l’amont du barrage est imposée ,c’est la longueur L des cheminements qui est le paramètre essentiel. LANE distingue les cheminement verticaux de longueur L v et les cheminement horizontaux Lh . La règle de Lane exprime la condition pour que le renard hydraulique ne se forme pas
par l’inéquation suivante :
Lv + Lh /3
C.H
Le coefficient C dépond la nature de terrain
Nature du terrain Sables fins et limons
c 8.5
Sables fins
7
Sables moyens
6
Gros sables
5
Petits graviers
4
Gros graviers
3
Mélange de graviers et de gros galets
Argile plastique Argile consistante Argile dure
2.5
3 2 1.8
VII- dispositifs de protection contre effet de l’eau La présence d’une charge hydraulique à l’amont du remblai engendre une infiltration d’eau dans le barrage et ses fondations. Malgré l’attention accordée au dispositif d’étanchéité prévu, ces infiltrations peuvent être nuisibles à la stabilité tant hydraulique que mécanique
de l’ouvrage. Pour y remédier on prévoit un dispositif de drainage souvent associé à des filtres.
A-Les filtres A-1- Rôle des filtres Le rôle des filtres est très important dans le fonctionnent d’un barrage en terre, particulièrement sur la plan de la sécurité de l’ouvrage, ainsi ils peuvent jouer de nombreuses fonctions complémentaires les unes aux autres, parfois les filtres peuvent jouer le rôle de drains surtout dans les petits barrages. Parmi leurs rôles on peut citer:
Entreposés entre deux couches à granulométrie différentes, ils évitent que les grains
fins de la première couche ne soient entraînés par les eaux d’infiltration à travers les matériaux de gros diamètres. Entreposés de part et d’autre d’un noyau d’étanchéité ou sous un écran d’étanchéité,
ils jouent le rôle de couches drainantes en évacuant les eaux d’infiltration vers l’aval du barrage. Intercalés entre un massif de barrage et sa fondation, si elle est argileuse, contribue grandement à activer sa consolidation grâce à leur rôle drainant qui réduit les pressions internes.
A-2- Composition et dimensionnement de filtres : Les filtres sont constitués de sables et de graviers dont les grains sont insolubles et non
altérables en présence de l’eau. Ces dernières années les filtres granulaires sont de plus en plus remplacés par des géotextiles qui sont des produits industriels très économiques et
faciles à mettre en œuvre. Les filtres, pour être efficaces ne doivent pas se colmater ni se dégrader par entraînement de leurs propres grains. Ils doivent jouer le rôle pour lequel ils sont prévus à savoir éviter que les particules fines du matériau de base ne soient entraînées à travers les
vides des couches perméables. Il est conseillé pour cela d’utiliser les sables dont le coefficient d’uniformité : D60/D10 2
Les paramètres de base de ces règles sont les caractéristiques granulométriques des matériaux. On schématise par Dx( sol) et Dx( filtre) les dimensions des grains de filtre et du matériau à protéger qui sur la courbe granulométrique correspond au l’ordonné x%. Selon l’analyse granulométrique ,On peut distinguées deux sortes filtres : Filtre à granulométrie uniforme ou étroite: dans ce cas pour que le filtre soit stable il faut: 5 D50( sol) D50( filtre) 10 D50( sol) Filtre à granulométrie contenue et étendue: Dans ce cas le filtre est stable si : 12D50( sol) D50( filtre) 58 D50( sol) 12 D15( sol) D15( filtre) 40 D15( sol) N.B La courbe granulométrique du filtre doit être approximativement parallèle à celle du sol. le filtre ne doit pas contenir plus de 5% de fines ( les inferures à 80 m) et ces fines doivent
Terzagui ( 1925) et Sherard ( 1963) recommandent que la granulométrie du filtre vérifie les inéquations suivantes : D15( filtre)4 à 5 D15( sol) D15( FILTRE) 4 à 5 D85( sol) D60( FILTRE) 2D40( sol) USBR recommande les inéquations suivantes : 5 D15(so) D40 (FILTRE) 40 D15(so) D15( FILTRE) 5 D85( sol)
L’épaisseur du filtre ne doit pas être inférieure à 25 cm pour tenir compte des tassements qui se produisent dans tout le remblai. Cette épaisseur doit être toujours supérieure ou égale à 50 D15.
Si la couche filtrante sert à drainer les eaux d’infiltration, sa capacité drainante doit être plus grande que le débit qui traverse le remblai et peut être vérifiée à l’aide de la loi de Darcy Le plus souvent pour les petits barrages, on peut choisir un matériau drainant suffisamment perméable et satisfaisant directement a cette double condition: la mise en place d'un filtre est alors inutile. Parfois, on se voit contraint d'interposer, entre le remblai et le drain, de perméabilité et de granulométrie très différente une couche - filtre en prenant soin de vérifier les règles de filtre à chaque interface.
B- Les drains Le drain est un organe fortement perméable incorporé dans le barrage en terre pour
évacuer les eaux provenant d’une infiltration. Il est généralement constitué de graviers et d’enrochements avec des caractéristiques de non altération au contact de l’eau et résistant aux grandes compressions ou des tuyau en béton poreux ou en plastique perforé également
entourer d’une couche de gravier . Il est admis que la B-1- Rôle des drain Les drains dans les barrages en terre ont une multitude de fonctions très importantes. Intercepter les eaux d’infiltration
et les évacuer à l’aval du barrage.
Abaisser
la ligne de saturation et éviter les résurgences sur le talus aval. Abaisser la ligne de saturation, pour garder une grande partie du remblai non saturé afin de conserver les caractéristiques géotechniques du matériau utilisé. La présence du drain dans un barrage en terre sert à minimiser le débit de fuite sur
l’ouvrage. Il
sert aussi à décompresser la fondation et donc à minimiser les pressions interstitielles.
La
présence du drain permet d’activer la consolidation du remblai
B-2- Différents types de drainages et leur dimensionnement : On rencontre plusieurs types de drainages qui différent les uns des autres par leur formes constructives, leur emplacement dans le barrage et le rôle pour lequel ils ont été prévus.
B-2- 1- tapis drainant et drain de pied
Pour intercepter les infiltrations dans le massif d’un barrage en terre on dispose habituellement dans la partie aval du massif et au contact de celui-ci avec la fondation , un tapis
drainant destiné à rabattre la ligne phréatique à l’intérieur du massif ( voir figure). Ce drain s’étentd sur ¼ au 1/3 de l’emprise du barrage.
Il est recommander , si le terrain s’y prête , de l’encastrer dans la fondation (drain de pied).d’une part, les enrochement constituent une bonne butée aval du massif; d’autre part, l’efficacité du drainage est augmentée dans la zone de contact entre la fondation et le massif , qui est toujours , quelles que soient les précautions prises, une zone préférentielle d’infiltration . La hauteur de l’enrochement est déterminé dans chaque cas . Il est égale de 10% à 20%. De la hauteur du barrage pour un drainage efficace.
B-2- 2- drain vertical Le drain verticale est placé au centre de la digue constitue une solution plus efficace pour intercepter les eaux d’infiltration un telle drain est constitué d’un rideau d’une largeur liminale de 1m, en matériau grossier ( gravier ou sable) dont la granulométrie choisie de manière à ce que les conditions de filtre soient réalisées.
Ce rideau peut être mis en ouvre par déversement du matériau convenable dans une tranche d’une profondeur de 1.5 à 2 m , creusé dans le massif compacté , au fur et à mesure de l’envasement du terrassement du barrage.il peut remonté jusqu’au la cote moyenne du plans d’eau dans la retenue . L’eau de percolation intercepté par ce drain filtrant est évacuée soit par un réseau de tuyaux –drains , soit par un drain tapis filtrant , s’il est également nécessaire de drainé les fondation .
B-2- 3- puits filtrants
Généralement les puits filtrants de décompression sont creusés à l’aval du dispositif d’étanchéité des fondations sous le remblai et jusqu'à son aval. Ils sont conseillés lorsque lesfondations sont relativement perméables mais très hétérogènes, ceci permet de
drainer toutes les couches perméables alternées avec d’autres couches imperméables sous le barrage et donc diminuer les sous pressions dans la zone située sous le talus aval. Ces puits sont généralement équipés de piézomètres pour contrôler le niveau d’eau.
Leur diamètre sont d’au moins 15 cm et ils sont remblayés de matériaux drainant comme pour les drains verticaux. La distance entre deux puits est de
l’ordre de 2,0 mètres.
La profondeur de chaque puits est égale à 1,5 de la profondeur de la couche perméable.
VIII- Protection des talus d’un barrage Les talus d’un barrage en terre sont sensibles à l’érosion due au ruissèlement des eau de pluie , aux renards provoqué par des infiltrations à travers le barrage et attaque des vagues (parement amont).il ya donc lieu de prévoir une protection des talus.
Les talus aval peut être protéger contre érosion en prenant soin de couvrir le parement d’une couche de terre végétale de 5 à 10cm immédiatement après l’achèvement des travaux de terrassement. On peut prévoir des risbermes pou de fossés parallèles à la ligne de crête , qui
intercepteront les eau de ruissèlement avant qu’elles ne proviennent au pieds du talus avec une vitesse trop grande.
Les talus amont est en général protégé par un enrochement . L’épaisseur de cette enrochement varie entre 0.3 à 1.00m . Les éléments d’enrochement doivent être tels que 50% des pierre aient un diamètre supérieur à 20 cm, les éléments les plus petits n’ayant pas un diamètre inferieur à 10cm.
Les talus amont est en général protégé par un enrochement . L’épaisseur de cette enrochement varie entre 0.3 à 1.00m . Les éléments d’enrochement doivent être tels que 50% des pierre aient un diamètre supérieur à 20 cm, les éléments les plus petits n’ayant pas un diamètre inferieur à 10cm.
Les talus amont est en général protégé par un enrochement . L’épaisseur de cette enrochement varie entre 0.3 à 1.00m . Les éléments d’enrochement doivent être tels que 50% des pierre aient un diamètre supérieur à 20 cm, les éléments les plus petits n’ayant pas un diamètre inferieur à 10cm.
Les dimensions de l’enrochement peuvent être déterminées théoriquement en fonction de la hauteur des vaques h et leur vitesse de propagation V par par des formule emperique parmis
lesquelles on cite l’expression suivante : e= C.v2 Avec :
e: l’épaisseur de l’enrochement en m; V : vitesse des vagues en m/s C : coefficient dépend de la pente du talus et le pois spécifique s de l’enrochement . La table suivante donne la valeur de coefficient C pour quelque valeur de talus .
pente de talus
valeur de C pour differents poids specifique s = 2,5
s = 2,65
s = 2,80
1/4
0,027
0,024
0,022
1/3
0,028
0,025
0,023
1/2
0,031
0,028
0,026
1/1,5
0,036
0,032
0,03
1/1
0,047
0,041
0,038
