COURS D’HYDRAULIQUE ROUTIERE

     

           

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Unité thématique d’enseignement et de recherche (UTER)

 

Gestion Valorisation de l’Eau et Assainissement (GVEA)

 

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COURS D’HYDRAULIQUE ROUTIERE  

 

   

Angelbert Chabi BIAOU  Enseignant-Chercheur, Hydraulique Générale et appliquée Laboratoire Eau Dépollution Ecosystème et Santé (LEDES)

 

1  Version Décembre 2009

SOMMAIRE Avant propos ................................................................................................................................................. 4  I. 

GénéralitéS ............................................................................................................................................ 5  I.1 

Introduction ................................................................................................................................... 5 

I.2 

Brève définition ............................................................................................................................. 5 

I.3 

Rappels d'écoulement à surface libre ........................................................................................... 6 

I.3.1 

Ecoulement uniforme ................................................................................................................ 6 

I.3.2 

Ecoulement graduellement varié .............................................................................................. 6 

I.3.3 

Calcul de rofondeurs normale et critique ................................................................................. 9 

I.4 

II. 

Contenu du cours ........................................................................................................................ 14 

I.4.1 

Collecte et évacuation des eaux superficielles ........................................................................ 14 

I.4.2 

Collecte et évacuation des eaux internes ................................................................................ 14 

I.4.3 

Rétablissement des écoulements naturels. ............................................................................ 14 

Collecte des eaux superficielles ........................................................................................................... 15  II.1 

Etapes qui précèdent les dimensionnements ............................................................................. 15 

II.2 

Dimensionnement du réseau. ..................................................................................................... 16 

II.2.1 

Les réseaux .......................................................................................................................... 16 

II.2.2 

Les données ......................................................................................................................... 20 

II.2.3 

Dimensionnement hydraulique des ouvrages..................................................................... 21 

II.3 

Différents types d'ouvrages superficiels ..................................................................................... 24 

II.3.1 

Ouvrage de collecte des eaux de la plate‐forme ................................................................. 24 

II.3.2 

Les ouvrages de concentration des eaux ............................................................................ 28 

II.3.3 

Ouvrage d'évacuation de l'eau de la plate‐forme ............................................................... 29 

II.3.4 

Schéma général de l'ensemble des ouvrages ...................................................................... 29 

III. 

Drainage interne des chaussées et de leurs abords ........................................................................ 30 

III.1 

Fonction attendues des ouvrages du drainage ........................................................................... 31 

III.2 

Avantages d'un ouvrage routier bien drainé ............................................................................... 31 

III.3 

modes d'infiltration de l'eau sous la chaussée ............................................................................ 32 

III.3.1 

Infiltrations verticales .......................................................................................................... 32 

III.3.2 

Infiltrations horizontales et effet de bord ........................................................................... 32 

III.4 

Procédés de drainage des chaussées .......................................................................................... 32  2 

 

III.4.1 

Mesure contre l'infiltration directe sur chaussée ............................................................... 32 

III.4.2 

Protection contre les effets de bord ................................................................................... 33 

III.5  IV. 

Caractéristiques et principe de pose ........................................................................................... 35  Rétablissement des écoulements naturels ..................................................................................... 37 

IV.1 

Etapes de l'étude des rétablissements de cours d'eau (BV < 100 km2) ...................................... 38 

IV.2 

Calcul des débits .......................................................................................................................... 38 

IV.2.1 

Coefficient de ruissellement ................................................................................................ 39 

IV.2.2 

Intensité de la pluie ............................................................................................................. 40 

IV.2.3 

Le temps de concentration .................................................................................................. 40 

IV.3 

Choix des ouvrages ...................................................................................................................... 41 

IV.4 

Dimensionnement hydraulique de l'ouvrage. ............................................................................. 42 

IV.4.1 

Considérations générales .................................................................................................... 42 

IV.4.2 

Régime à l'aval de l'ouvrage ................................................................................................ 43 

IV.4.3 

Régime à l'aval de l'ouvrage ................................................................................................ 49 

V.  Bibliographie ....................................................................................................................................... 59   

3   

AVANT PROPOS Ce cours est un résumé du cours d’hydraulique destiné aux étudiants de l'Institut international d'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement (2iE), en formation initiale et présentielle. ….

4   

I. I.1

GENERALITES

Introduction 

Lors de la conception des ouvrages routiers, un des problèmes techniques les plus importants auquel doit faire attention un ingénieur est celui de l'assainissement du future ouvrage. Il s'agit essentiellement de la collecte et de l'évacuation des eaux superficielles sur l'emprise de la route, de la collecte et l'évacuation des eaux internes (drainage) et enfin, du rétablissement des petits écoulements naturelles (petits ouvrages de franchissement). A noter que, pour ce dernier type de problème, les cas des grands cours d'eau, rivières et fleuves ne sont pas pris en compte dans le cadre de cet ouvrage, ces cas étant traités par les projets de grands ouvrages de franchissement tels que les ponts. Le choix des différents ouvrage doit répondre à un certains nombre de contraintes toutes dépendant de la taille du projet routier (routes en terres, petites routes bitumées, autoroutes…), mais aussi des conditions naturelles (pluviométrie, géologie, relief…). Par ailleurs, si la plus part des calculs se font dans les conditions d'écoulement uniforme, il faut faire attention aux points singuliers et aux extrémités ou les écoulements se produisent dans les conditions d'un régime graduellement varié et ou les eaux internes risquent de s'accumuler (Zones de transition remblai-déblai, passages inférieurs, tranchées sous-chaussées etc.). Les problèmes posés par l'assainissement routier sont relativement différents de ceux posés par l'assainissement urbain en ce sens que le bassin versant routier est plus homogène, le réseau routier est souvent linéaire. Les solutions proposées dans ce ouvrage vont dans tous les cas privilégier la simplicité des ouvrages, leur solidité et la facilité de les entretenir. Pour finir, le projeteur doit avoir à l'esprit que des problèmes environnementaux peuvent découler de sont projet (modification des écoulements naturels de surface, interruption des écoulements souterrains irrigant les cultures, rabattement des nappes) et prendre des dispositions conséquentes pour éviter des catastrophes. Ce document traite essentiellement des ouvrages neuves, mais il est à recommander qu'il est important, pour maintenir en bon état les ouvrages, d'en assurer la surveillance et l'entretien permanent.

I.2

Brève définition 

L'hydraulique routière ou encore l'assainissement routier est l'ensemble des moyens et techniques utilisés pour résoudre les problèmes de collecte et d'évacuation des eaux superficielles et des eaux internes sur l'emprise de l'ouvrage routier mais aussi ceux du rétablissement des petits écoulements naturels qui devraient se faire si l'ouvrage routier ne s'était pas implanté. Comme on l'a souligné en introduction, cette forme d'hydraulique est différente de ce qu'on appelle hydraulique urbaine à cause du

5   

caractère particulier du bassin versant caractéristique de l'ouvrage routier, ainsi que du caractère linéaire de la plate-forme.

I.3

Rappels d'écoulement à surface libre  I.3.1 Ecoulement uniforme

Un écoulement se déroule à un régime dit uniforme lorsque les paramètres géométriques (sections transversales et pentes), hydrauliques (vitesses du fluide) et rugosité des parois et du fond sont tous constants. En conséquence, la surface libre est parallèle au fond de l'ouvre. Ce type d'écoulement n'a lieu que loin des extrémités et des singularités observables sur le profil en long de l'ouvrage. La hauteur correspondante à un débit donnée pour un écoulement uniforme s'appelle hauteur normale ou encore tirant d'eau normale. Elle se calcule par une formule du type Manning-Strickler : / √ / étant le débit à évacuer par l'ouvrage dans les conditions uniformes; étant le coefficient de Strickler ( / / ) et n étant le coefficient de / ), tous les deux dépendant de la nature et de l'ouvrage; Manning ( / étant la section mouillée de l'ouvrage (Aire de la partie mouillée de la section transversale de l'ouvrage); (m) étant le rayon hydraulique de l'ouvrage. C'est le rapport de la section mouillée au périmètre mouillé (longueur du contour de la partie mouillée de la section transversale de l'ouvrage); I étant la pente de fond (donc de la surface libre, l'écoulement étant supposé uniforme).

I.3.2 Ecoulement graduellement varié I.3.2.1

Notion de charge hydraulique :

C'est l'énergie totale du fluide par unité de poids (estimée par rapport à une référence horizontale). Elle est la somme, en une section donnée, de l'énergie mécanique, de l'énergie de pression et de l'énergie cinétique, toutes par unité de poids.   2 ‐   étant la côte du fond par rapport à  une référence horizontale donnée;  ‐   étant le tirant d'eau  ‐   étant la vitesse de l'eau  ‐   étant l'accélération de la pesanteur 

2

 

 

é é

Figure I‐1 : Charge hydraulique 

6   

I.3.2.2

Théorème de Bernoulli

Il stipule que lorsque les pertes de charge sont négligeable, entre deux sections distinctes de l'ouvrage, on a

.

I.3.2.3 Charge spécifique C'est la charge hydraulique pour laquelle le fond est pris comme référence. Elle s'écrit donc I.3.2.4

Régimes d'écoulement

Elle est mise en évidence, d'une part les variations de la charge spécifique définie ci, S étant la section mouillée. Cette

dessus et qui peut encore s'écrire

charge spécifique admet un minimum au point où le tirant d'eau prend la valeur appelée tirant d'eau critique ou hauteur critique, qui n'est rien d'autre que la solution de 1,

l'équation

étant la largeur en miroir (la largeur de la surface libre dans

la section courante. La figure I-2 représente la courbe de la charge spécifique en fonction de la profondeur, pour un débit (constant) donné.  

                       

Régime  torrentiel 

 

∆

Régime fluvial

 

    2

45°   

 

Figure I‐2 : Variation de la charge spécifique en fonction de y pour un débit donné (constant) 

9 Pour cinétique

, l'énergie potentielle caractérisée par y est faible et l'énergie est élevée et donc les vitesses sont élevées. On dit que le

régime d'écoulement est torrentiel.

7   

9 Pour cinétique

, l'énergie potentielle caractérisée par y est forte et l'énergie est faible et donc les vitesses sont faibles. On dit que le

régime d'écoulement est fluvial. Pour une énergie spécifique donnée, le canal peut écouler le débit Q sous deux profondeurs possibles. Pour la première d'entre elles, plus petite que la profondeur critique, le débit est évacué sous un régime torrentiel. Pour la deuxième, supérieure à la profondeur critique, le débit est évacué sous un régime fluvial. n'est rien L'énergie dissipée entre deux sections de charges respectives d'autre que ce qu'on appelle la perte de charge. Pour un régime fluvial, cette perte de charge se traduit par un abaissement de la ligne d'eau et une augmentation de l'énergie cinétique, alors que pour un régime torrentiel, elle se traduit par une augmentation de la ligne d'eau et un abaissement de l'énergie cinétique.   D'autre part, la courbe de profondeur en fonction du débit (Figure   I-3) pour   une charge constante donnée, permet de mettre en évidence   les différents régimes d'écoulement. Cette figure montre que le  débit est maximum, pour une charge donnée, lorsque la profondeur est critique. Pour une charge donnée à l'entrée, en   régime  torrentiel, le débit de l'ouvrage est au plus égal au débit

Fluvial

Torrentiel

Figure I‐3 : Variation du débit en fonction de la profondeur 

I.3.2.5

Pente critique et son importance dans les dimensionnements

La pente citique est la pente pour laquelle le canal écoule ale débit, à la profondeur critique de façon uniforme. Son expression : /

Montre que lorsque les pentes sont supérieures à la pente critique, théoriquement le débit de Manning-Strickler serait supérieur au débit critique, ce qui serait en contradition avec ce qui précède, car le débit maximum se limite au débit critique, pour une énergie spécifique donnée. Ceci veut dire que la pente de l'ouvrage est supérieure à la pente critique, la capacité de l'ouvrage n'est plus fonction de sa pente car l'ouvrage ne peut débiter que ce qu'il peut absorber (au maximum le débit critique). Ceci montre le danger de dimensionner les ouvrages en se basant sur les formules de types anning-Strickler, qui sont établies dans les conditions de régime de type uniforme. En somme, les formules de Manning-Strickler peuvent être utilisées pour calculer le débit "capable" pour des pentes inférieures à la pente critique et dès lors que les pentes deviennent supérieures à la pente critique (régimes torentiels), le débit "capable" reste constante et égal au débit critique. I.3.2.6

Section de contrôle et son importance

Si l'écoulement dans l'ouvrage peut s'établir en régime torrentiel, c'est-à-dire si l'écoulement peut se faire à un tirant d'eau voisin du tirant d'eau critique, la capacité de 8   

l'ouvrage est directement fonction de la charge spécifique disponible en amont. Dans ce cas, ce sont les conditions à l'entrée de l'ouvrage qui contrôlent sa capacité.On dit que l'ouvrage fonctionne en contrôle amont ou que sa section de contrôle est situé en amont. Une perturbation à l'aval ne peut remonter la ligne d'eau et donc n'a aucune influence sur le remous concerné. Dans le cas d'un régime fluvial, ce sont les conditions à l'aval, la perte de charge ainsi que la rugosité qui vont déterminer le débit à évacuer par l'ouvrage. On dira que l'ouvrage fonctionne en contrôle aval ou que la section de contrôle de l'ouvrage se qui vont déterminer le débit de l'ouvrage trouve en aval. Dans ces conditions, la ligne d'eau dans l'ouvrage et donc la ligne d'eau à l'amont de celui-ci vont être contrôlés par le niveau d'eau à l'aval de l'ouvrage.

I.3.3 Calcul de rofondeurs normale et critique Les profondeurs normale et critique sont indispensables, surtout dans le choix des ouvrages de rétablissement des écoulements naturels. Les équations permettant de calculer ces problèmes conduisent à des problèmes itératifs, et ne peuvent donc être résolus simplement. Il faut donc faire recours à des méthodes de résolution de problèmes itératifs. Plusieurs méthodes permettent de calculer ces profondeurs. Nous n'en présenterons que deux, mais nous tenons à signaler que d'autres méthodes existent, notamment la méthode des solveurs ou des macros (Sous Microsoft Excel), les programmes informatiques, les calculettes programmables ou dotées de solveurs… I.3.3.1

Méthode des abaques

La première des méthodes que nous présentons est celle qui utilise les abaques préétablies et ceci pour certaines section particulières : circulaire, rectangulaire, trapézoïdale. Les deux abaques sont présentés en annexe I. Utilisation : 9 Cas de la profondeur normale. • On sélection dans la famille de courbe, celle qui correspond au fruit de berge de l'ouvrage ( , étant l'angle que fait le talus avec l'horizontal). Pour un canal rectangulaire, 1, le cas du canal circulaire étant mentionné sur l'abaque. (pour les ouvrage de section rectangulaire et On calcul la grandeur √

trapézoïdale)

√

(pour les canaux de section circulaire) qu'on positionne en

abscisse et qu'on projette sur de la courbe choisie précédemment. • L'intersection donne le rapport pour en déduire connaissant b 9 Cas de la profondeur critique. 9   

• On sélection dans la famille de courbe, celle qui correspond au fruit de berge de l'ouvrage ( , étant l'angle que fait le talus avec l'horizontal). Pour un canal rectangulaire, 1, le cas du canal circulaire étant mentionné sur l'abaque. (pour les ouvrages de sections trapézoïdale et On calcul la grandeur rectangulaire) qu'on positionne en abscisse (sur l'axe du bas) ou

(pour les

ouvrages de sections circulaires) qu'on positionne en abscisse (sur l'axe du haut) qu'on projette sur de la courbe choisie précédemment. • L'intersection donne le rapport pour en déduire connaissant b I.3.3.2

Méthode de débitance

) et équivalent (pour

9 Pour la profondeur normale : / De √ , on déduit que On calcule la grandeur fixe /

√

/ √

)

.

, puis on calcul pour différentes valeurs de y, la

. Celle pour laquelle le calcul de la grandeur variable grandeur variable coïncide avec celle de la grandeur fixe n'est rien d'autre que la profondeur normale . 9 Pour la profondeur critique : De

1 on déduit que

On calcule la grandeur fixe grandeur variable

.

√ √

, puis on calcul pour différentes valeurs de y, la

. La valeur de y pour laquelle le calcul de la grandeur

variable coïncide avec celle de la grandeur fixe n'est rien d'autre que la profondeur critique . 9 Application. Calculer les profondeurs normale et critique d'une canalisation de section trapézoïdale ayant les caractéristiques suivantes : 15 , 0.5, / 70 / lorsque ce canal écoule un débit 80 / . Prendre 0.1%, g=10 1

 

10   

  √

 

D     

1 m

b

  √

2iE/2008/BIAOU

11   

 

Abaque d'estimation de profondeur critique 

 

1 m

b

 

D   

  2iE/2008/BIAOU

12   

Solution. 1- Méthode des abaques 9 Profondeur normale : 80

0.0264

70 √0.001 15 √ Projeté sur la courbe (abaque de profondeur normale) correspondant à m=0.5 ième 0.12, soit . (2 par celle du rectangle, de haut en bas), on lit 9 Profondeur critique 80 0.29 √10 15 √ Positionné sur l'axe (de dessus ) des abscisses et projeté sur la courbe (abaque de profondeur critique) correspondant à m=0.5 (2ième par celle du rectangle, de haut en 0.095, soit . bas), on lit Solution. 2- Méthode des abaques ,

9 Profondeur normale :

2

S  15.500  32.000  23.625  26.945  28.620  27.899 

,

2

.

√ y  1.000  2.000  1.500  1.700  1.800  1.757 

1

p  17.236  19.472  18.354  18.801  19.025  18.929 

RH  0.899  1.643  1.287  1.433  1.504  1.474 

D  1010.862  3119.409  1956.872  2397.560  2630.261  2529.211 

S/L  0.969  1.882  1.432  1.340 

F  15.256  43.904  28.269  25.446 

On estime . 9 Profondeur critique . y  1.000  2.000  1.500  1.400 

s  15.500  32.000  23.625  21.980 

l  16.000  17.000  16.500  16.400 

On estime . Solution. 3- Programme Informatique Un programme informatique donne

.

et

.

13   

I.4

Contenu du cours 

Ce cours d'hydraulique routière a pour objet de mettre à disposition des lecteurs des outils nécessaires pour assurer l'évacuation des eaux superficielles, c'est-à-dire celles présentes directement sur la plateforme et sur ses ouvrages annexes, l'évacuation des eaux internes (drainage), c'est-à-dire celles qui se seraient infiltrées dans l'ouvrage, d'une manière ou d'une autre et enfin le rétablissement des écoulements naturels, c'està-dire ceux qui sont susceptible d'être rompus par le projet routier. Les différents ouvrages à mettre en place prendront en compte un certains nombre de facteurs. Il s'agit de la pluie à prendre en compte, la capacité des exutoires, les caractéristiques de la route et du terrain naturel, les études pédologiques, et hydrogéologiques, l'évapotranspiration du milieu etc…

I.4.1 Collecte et évacuation des eaux superficielles Lors de la pluie, les eaux l'eau qui tombe sur la chaussée peuvent s'accumuler et causer ainsi des glissances, des projections d'eau sur les autres usagers. Il est donc important de collecter et d'évacuer assez rapidement l'eau qui tombe sur la chaussée y compris celle provenant du reste de l'emprise de la route ou du terrain naturel avoisinant. Pour assurer cette fonction de collecte et d'évacuation, un ensemble d'ouvrages spécifiques, structurés en réseau, est nécessaire. Les détails sur ces ouvrages ainsi que leur fonctionnement et dimensionnement seront présenté au chapitre II de ce document.

I.4.2 Collecte et évacuation des eaux internes

L'eau qui tombe sur la chaussée, sur les accotements, sur le terre-plein central (pour les ouvrages routier qui en disposent) est susceptible de s'infiltrer avec des conséquences néfastes sur les chaussées, sur sa fondation et les remblais, pouvant accélérer la dégradation de l'ouvrage routier. Le but de cette partie qui sera développée dans Le chapitre III est de mettre en place des ouvrages qui permettent d'éviter les entrées d'eau dans la chaussée et l'accotement, de faire en sorte que celle qui y pénètre ne reste pas piégée au point de faciliter l'infiltration, d'évacuer celles qui se serait infiltrée ou qui proviendrait d'un talus de déblai ( il s'agit du drainage).

I.4.3 Rétablissement des écoulements naturels.

En construisant une route, d'une manière ou d'une autre, on est amené couper le passage d'un cours d'eau, d'une rivière ou d'un fleuve. Il faudra donc mettre en place, dans le projet routier, des ouvrages qui permettent d'assurer le passage de ces cours d'eau naturels pour lesquels la route constitue un obstacle. Seulement dans ce cours, nous ne traiterons que des cas des petits cours d'eau et ruisseau, le cas des rivières et fleuves étant du ressort de construction d'ouvrages d'art, donc pas du ressort de ce cours. 14   

II. COLLECTE DES EAUX SUPERFICIELLES Ce chapitre sera consacré à l'assainissement de la plate-forme et des ouvrages qui assurent son fonctionnement. Les ouvrages qui permettront d'assurer la collecte des eaux de ruissellement seront soit placés en bordure, soit en terre plein central, cela dépendra du type de la route ou de son emprise. Il s'agit essentiellement des caniveaux, des fossés plats, des bordures et des bourrelets. Nous étudierons également dans ce chapitre, les ouvrages de concentration des eaux, tels que les avaloirs, les regards, les raccordements, les raccordements bourrelet-descente d'eau, puis les ouvrages d'évacuation des eaux de la plate-forme tels que les descentes d'eau, les têtes de buses, et divers autres raccordements.

II.1 Etapes qui précèdent les dimensionnements 

Figure II‐1 : Collecte d'eau de surface. Photo : Serge CRISCIONE DREIF PST –LR de Melun, Marc VALIN CETE Nord‐Picardie 

Le projet de collecte des eaux superficielles comme tout autre projet commence toujours par une étude sommaire ou encore avant projet, qui va consister à examiner tous les facteurs relatifs à l'assainissement qui peuvent avoir une influence sur les choix à effectuer lors de l'étude et sur l'estimation du projet. 15   

Une des étapes consiste à estimer, sans aller dans le détail, le coût sommaire du projet. Il sera facilité par un relever sur un plan (généralement au 1/5000 en avant projet sommaire et un plan du réseau au 1/1000 ou 1/2000 en phase d'avant projet détaillé) et sur le profil en long, des sections supposées homogènes de voie qui seront équipées du même type d réseau. Le dimensionnement des ouvrages n'est pas nécessaire ici, sauf si le choix de l'ouvrage et son dimensionnement peuvent avoir une influence notable sur les coûts du projet. Une deuxième étape consiste à identifier les exutoires susceptibles de recevoir les eaux collectées et faire une étude sommaire de leurs capacités à recevoir les débits des eaux qui y seront évacuées. Puisque la chaussée peut faire l'objet de pollutions accidentelles, les eaux collectées sont donc susceptibles d'être polluées suite à cette éventuelle pollution accidentelle. Il y a donc lieu de faire une étude de vulnérabilité des exutoires identifiés, afin d'éviter toute pollution des cours d'eaux ou rivières environnants ou encore des aquifères sous-jacentes. La troisième étape va consister à identifier les bassins versants naturels qui sont susceptible de diriger leurs eaux sur l'ouvrage routier à construire. Ces bassins versants doivent également être reportés sur le plan.

II.2 Dimensionnement du réseau.  II.2.1

Les réseaux

Dans un premier il s'agit de définir les réseaux d'ouvrages constitués essentiellement des ouvrages de collecte, de concentration des eaux et de leur évacuation. La définition de ces réseaux se fait essentiellement à partir des sessions homogènes (en déblai, en remblai élevé, en devers celles où il existe un terre-plein central si c'est le cas et les sections des déblais qui sont susceptibles de recevoir, de la part du terrain naturel, des débits importants) définies ci-dessus sur le plan et le profil en long. Ensuite, il faudra caractériser les chaussées et les talus par leurs largeurs, leurs pentes et leurs coefficients de ruissellement, caractériser les réseaux par leurs origines et leurs extrémités, caractériser les emplacements des liaisons transversales imposées par le tracé, caractériser les points hauts et bas, la pente du projet ainsi que les changements de pente, la pente du terrain naturel aux voisinages de l'ouvrage. On peut ainsi distinguer : II.2.1.1

Les réseaux de pieds de talus de déblai

C'est un réseau longitudinal constitué de fossés peu profonds appelés fossés plats comme par exemple des cunettes (voir plus loin) aux formes douces pour améliorer la sécurité ou de caniveaux profonds, chargés de récupérer les eaux issues de la chaussée, du talus et de l'accotement. Les eaux récupérées par ce réseau sont rejetées dans un collecteur revêtu (Figure II-2). Des regards et avaloirs associés sont des ouvrages de concentration qui assurent la transmission des eaux recueillies par les ouvrages de collecte (cités ci-dessus, mais également les bordures et les bourrelets, voir 16   

ci-dessous) vers les dispositifs d'évacuation situés hors de la plateforme. Si les eaux de ruissellement sont collectées à différents niveaux sur le talus (Figure II-3) en crête ou sur les risbermes, il faudra prévoir des ouvrages de raccordements (Figure II-4) tels que les raccordements de descente d'eau à cunette ou encore de descente d'eau à collecteur.

  Figure II‐2 : réseau en pied de talus de remblai 

 

  Figure II‐3 : raccordement descente d'eau‐collecteur 

II.2.1.2

Réseaux d'assainissement d'un talus de remblai

Lorsqu'une route est en remblai, l'une des choses les plus redoutées est l'érosion du talus due aux eaux qui vont ruisseler. Le risques d'érosion est d'autant plus élevé que le talus est haut ou que sa pente est forte. Ce risque est également fonction de l'intensité locale des pluies, mais aussi de la cohésion du sol et de la présence ou non de la végétation. C'est pour cela qu'il y a lieu de prévoir le réseau de crête de talus de remblai, un réseau également longitudinal, pour empêcher les eaux de se ruisseler directement sur le talus, le but étant de les dirigées (grâce à un raccordement aux descentes d'eau) vers des emplacements aménagés en conséquence, c'est-à-dire les descentes d'eau qui sont placées en moyenne tous les 40 m. Pour le cas de la plupart 17   

des pays du sahel caractérisés par les averses de fortes intensités ce réseau devient nécessaire dès que les talus dépassent 2 m et pour les pluies moins intenses il faudra attendre que les talus dépassent 4 m. Le réseau de crête de talus de remblai est constitué de bourrelets en enrobé ou de bordures (voir détails plus loin) posés à plat, placés à la limite de la partie imperméabilisée de la chaussée ou de la bande d'arrêt d'urgence.

Figure II‐4 : réseau de crête de talus de remblai 

Les eaux interceptées par le réseau de crête de talus de remblai et collectées par les descentes d'eau parviennent au pied du talus. Lorsque les débits qui y parviennent commence par devenir important, lorsque ces eaux sont évacuées librement, elles peuvent créer des érosions au pied du talus susceptibles d'être préjudiciable pour l'ouvrage routier ou encore créer des dommages pour les riverains. Il faudra bien sûr les collecter et les canaliser vers les exutoires ou vers un ouvrage de traversée (voir le chapitre IV). Le réseau qui permet de récupérer ces eaux est appelé réseau de pied de talus de remblai, disposé au moins à 1 m du pied de talus. La Figure II-6 représente les différentes variances d'un tel type de réseau. Figure II‐5 : réseau de pied de talus de remblai 

II.2.1.3

Réseaux d'assainissement d'un talus de déblai

Les talus de déblai, quand bien même pas courants, peuvent s'avérer nécessaire (par exemple lorsque l'emprise de la chaussée est contenue entre les flancs d'éléments en hauteur (une colline par exemple) ou taillée dans un élément en auteur. L'érodabilité des talus d'un tel type d'ouvrage dépend, en plus de la pluviosité de la cohésion de la roche dans laquelle la route a été taillée ou des roches qui bordent cette route, mais aussi de l'étendue de la route et des pentes du talus. Vue l'importance économique de la route, ces talus sont souvent revêtu, dans le cas où ils ne sont pas assez cohésif ou engazonnés s'ils le sont assez ou s'ils sont bien stabilisés et le rôle de l'assainissement 18   

d'un tel type d'ouvrage se limite à un rôle de prévention et d'entretien contre l'érosion (lente, mais certaine) des talus pour maintenir pendant longtemps leur stabilité, mais aussi contre l'infiltration dans le talus. Ce réseau dit réseau de crête de talus en déblai, un réseau longitudinal constitués de façon générale (nous verront plus loin que les tranchées drainantes sont adaptables) constitués de fossés profond, doit être placé à 1 ou 2 m de la crête du talus avec un espace nécessaire pour ses entretiens.

Figure II‐6 : Réseaux d'assainissement d'un pied de talus de déblai 

II.2.1.4

Réseau de terre-plein central

C'est un réseau qui a pour rôle de protéger toute la plate-forme, surtout lorsque le terre-plein central n'est pas revêtu. Lorsque le terre-plein central est revêtu, un caniveau situé dans la partie basse du terre-plein central permet de drainer les eaux de la chaussée et de la plate-forme. Dans le cas où il n'est pas revêtu (engazonné par exemple), un drain principal, décalé par rapport à l'axe du terre-plein central (pour tenir compte de la présence de zones plantées et de glissières), permet de drainer les eaux de la plate-forme. En déblai, pour des plate-formes assez larges, il faudra prévoir une tranchée drainante profonde devrait permettre de contribuer au rabattement d'éventuelle nappe

19   

Figure II‐7 : Réseau de terre‐plein central 

II.2.1.5

Ouvrages transversaux et de raccordement

Les ouvrages transversaux sont ceux qui assurent le transfert d'un réseau à un autre. On distingue les descentes d'eau et les traversées sous chaussées. Les ouvrages de raccordement quand à eux sont situés à chaque point de ramification, de rejet ou encore de changement de nature d'ouvrage. On distingue les regards, les têtes de collecteur et les ouvrages de raccordement.

II.2.2

Les données

La pluviométrie de la zone de projet et de loin l'une des données les plus importantes pour le dimensionnement des ouvrages et des différents réseaux. On peut y associer l'évaporation de la zone, mais compte tenue des surfaces faibles à assainir, si cette donnée n'est pas accessible, elle peut être négligée sans trop d'erreur. En plus de ces données, les données topographiques sont essentielles et devraient permettre d'identifier les potentiels exutoires. Les contraintes liées au rejet des eaux hors de la plate-forme devraient être évaluées (à l'aide des éventuelles données sur la pollution accidentelle des chaussées) afin d'anticiper les différentes pollutions contre lesquelles il faut se prémunir. La courbe intensité-durée-fréquence (IDF) reliant les intensités des pluies à leurs durées pour chacune des fréquences de leur apparition est d'une 20   

importance capitale dans cette phase du projet. Elle permet d'estimer le débit issu de la plate-forme afin de l'apprécier, par rapport aux débits admissibles des exutoires identifiés ou pour dimensionner des bassins écrêteurs de crue ou des bassins d'infiltration (dans le cas où les débits admissibles des exutoires identifiés sont faibles, comparativement aux débits issus des plateformes). L'estimation du débit provenant de la plate forme se fait à partir des données pluviométriques, par la formule dite formule rationnelle : avec , Q en / , A en , en / Ou encore / 2.78 avec , Q en / , A en , en Ou encore avec , Q en / , A en , en / .

étant le débit évacué, , l'aire de la surface de la plate-forme (ou du bassin) qui alimente le réseau et , le coefficient moyen de ruissellement de la plate-forme, dépendant de son imperméabilisation : Il prend la valeur 0.7 pour le calcul du réseau latéral et 0.9 pour le calcul du réseau de terre-plein central, est l'intensité de l'averse de durée te (durée qui sera définie ci-dessous comme temps d'équilibre ). De façon générale, on a coutume, pour simplifier les calculs, de prendre, pour la période de retour (fréquence) choisie, un temps . En revanche, pour un réseau court, en tout cas d'équilibre inférieur à 200 m ou lorsque l'ouvrage est revêtu, on prend un temps d'équilibre . Pour la collecte des eaux superficielles, les ouvrages seront dimensionnés, lorsqu'il s'agit des autoroutes et voies rapides urbaines, pour une période de retour de 10 ans, en vérifiant que pour une pluie de période de retour de 25 ans, l'eau n'atteint pas le bord de la chaussée (ou de la bande d'arrêt d'urgence pour les autoroutes, lorsqu'on suppose que les bermes font partie de l'ouvrage superficiel). Pour les routes cette période de retour va varier de 10 ans à 5 ans, suivant l'incidence du débordement.

II.2.3 II.2.3.1

Dimensionnement hydraulique des ouvrages

Contraintes hydrauliques

Les contraintes au quelles les ouvrages doivent être soumises sont essentiellement des contraintes de pente. En effet, Pour les pentes moyennes, inférieures à 1%, et pour des pentes fortes (3.5 à 4% pour éviter de générer des fortes vitesses capables de produire l'érosion de l'ouvrage) ainsi que dans des zones où l'on désire éviter les infiltrations, il est recommandé de mettre en place des ouvrages revêtus. Lorsqu'on sort des conditions ci-dessus, il est recommandé d'engazonner 21   

l'ouvrage, ce qui aura pour conséquence de diminuer le débit (par augmentation de la rugosité) et donc de d'augmenter le temps de parcourt. Dans tous les cas, il faut privilégier les conditions de sécurité des usagers et les conditions d'entretien et d'exploitation. Il est cependant important pour le projeteur de respecter les deux principes suivants : Rejeter chaque fois que cela est possible les eaux hors de la plate-forme afin de diminuer le débit à transiter dans les ouvrages, et donc leur coût (la traversée des zones sensibles à la pollution des eaux peut conduire localement à des dispositions différentes). Utiliser au maximum les ouvrages superficiels dont les coûts d'investissement et d'entretien sont plus faibles que ceux des ouvrages enterrés. II.2.3.2

Principe de dimensionnement

Le principe de dimensionnement que nous présentons ici est un moyen simple de vérifier l'ordre de grandeur du débit à évacuer. Pour une averse supposée d'intensité constante qui tombe sur une plate-forme, une partie s'infiltre, une autre (supposée négligeable) s'évapore et le reste ruisselle. Lorsque le débit à l'exutoire et en tout point du réseau devient constant, on dira qu'on a atteint le débit d'équilibre. Le temps nécessaire à l'établissement de ce débit d'équilibre est appelé temps d'équilibre. Ce temps joue le même rôle que le temps de concentration qui est le temps que met la goute d'eau qui tombe au point le plus éloigné du bassin versant pour parvenir à l'exutoire. L'averse critique est celle dont la durée est égale au temps d'équilibre de l'ensemble plateforme et réseau (l'ouvrage étant déjà choisi a priori et on cherche à voir s'il convient) et éventuellement bassin versant (si ses eaux s'écoulent vers l'emprise de l'ouvrage. Ce temps d'équilibre dépend des caractéristiques de la plate-forme (géométrie et rugosité), des caractéristiques de l'ouvrage que l'on teste et de l'intensité de la pluie. Pour déterminer ce temps et l'intensité de l'averse qui lui correspond, plusieurs formules existent, notamment la formule empirique de KIRPICH 1 . 52 . étant le temps de concentration en minutes étant la distance, en mètre, entre l'exutoire et le point le plus éloigné du bassin considéré en mètre étant la dénivelée entre les deux points ci-dessus. La formule de RICHARDS 1 étant le temps de concentration en heures 22   

De façon empirique, on prend 2√ k coefficient fonction du produit CR L longueur du chemin hydraulique en km avec H la hauteur en mm de l'eau tombée pendant la durée Ou encore 1 , intensité moyenne en mm/h correspondant à en heure C le coefficient de ruissellement du Bassin versant considéré p la pente du bassin versant considéré On adopte l'approximation suivante pour le coefficient k: . 55 on a Pour 0 . .

Pour 55 200 on a . Ainsi, le temps de concentration peut être déterminé par itération. On peut prendre, pour simplifier les calculs (avant projet sommaire), les temps d'équilibre renseignés dans le paragraphe II.2.2 Lorsque l'ouvrage à dimensionner est choisi, on calcul le débit qu'il est capable d'évacuer, appelé débit capable ( ), par la formule de Manning-Strickler (voir ci/ dessus) : √ . Il est à noter que cette formule n'est valable que pour des écoulements en régimes permanent, à éviter donc pour les petits ouvrages hydrauliques. Les valeurs du coefficient de Strickler sont fournies par des tables appropriées, mais on peut utiliser les valeurs suivantes, pour simplifier les choses Nature Valeur de K Ouvrage en terre 33 Ouvrage taillé dans un sol rocheux 25 Ouvrage en béton 67 En fonction de la nature de l'ouvrage, la vitesse d'écoulement croît avec la hauteur d'eau dans le fossé. Au delà d'une certaine hauteur d'eau, la vitesse de l'eau dépasse la limite supportable par un sol meuble sans érosion. Dans ces conditions, l'ouvrage commence par se dégrader jusqu'à se détruire assez rapidement. Il y donc lieu, pour des ouvrage en terre, d'imposer des vitesses limites Le tableau suivant donne quelques valeurs de cette vitesse limite: Nature Vitesse maximum en m/s Sables fins argileux ou limons argileux 0.75 Limons ou argiles sableux (sable <50%) 0.90 Argiles compactes 1.10 Mélanges de graviers, sables et limons 1.50 23   

Graviers, cailloux moyens Zone rocheuses ou béton (conseil)

1.80 3.5

Le débit maximum admissible dans un premier temps doit être évalué avant tout autre démarche. Sa valeur est donnée par , S étant la section mouillée de l'ouvrage. Cette première indication guide le choix de l'ouvrage Dès lors que cette condition est respectée et que l'ouvrage est choisi, il s'agit de le dimensionner, c'est-à-dire trouver la longueur sur laquelle il s'étendra Puisque la plate-forme est supposée de largeur constante, alors le débit ruisselé par la plate-forme, donné par la formule rationnelle, dépend de la longueur L de la plate-forme ( , l étant la largeur de la plate-forme) et de l'intensité i, on l'écrira donc , . Le dimensionnement va consister à calculer ce qui va être appelé la longueur de saturation de l'ouvrage, c'est-à-dire la longueur de la plate-forme pour laquelle le débit ruisselé va équivaloir au débit capable (ouvrage plein ou à la hauteur fixée). Ainsi, lorsque l'intensité de l'averse est déterminée pour le temps d'équilibre fixé, , alors l'ouvrage choisi convient bien au débit ruisselé Si , la longueur d'équilibre est inférieure à la longueur du Si réseau, il est alors saturé, on lui associe alors un ouvrage plus performent (en modifiant en conséquence les dimensions de l'ouvrage courant) ou tout simplement on recommence le calcul avec un autre type d'ouvrage. Ces différents calculs supposent que la géométrie de la plate-forme ainsi que celle de l'ouvrage sont connues. En effet, en ce qui concerne l'ouvrage, pour calculer le débit capable, on a besoin de la section mouillée, du périmètre mouillé. Nous détaillons ci-après les calculs de ces éléments géométriques pour quelques ouvrages courants, tels que les fossés plats et les fossés profonds.

II.3 Différents types d'ouvrages superficiels  Nous résumons ici les différents types d'ouvrage qui assurer dans la collecte des eaux de la plate et leur évacuation hors de la plate-forme.

II.3.1 II.3.1.1

Ouvrage de collecte des eaux de la plate-forme

Fossés plats ou encore fossés peu profonds

Ce sont les fossés qui sont couramment utilisés en pieds de talus de deblai ou dans les régions où l'intensité des précipitations sont faibles. Lorsque ces ouvrages sont engazonnés, le coefficient de Strickler est inférieur à 70. S'ils sont revêtus, leur 24   

coefficient de Strickler va dépendre du type de revêtement. On en distingue de trois types, à savoir

Les cunettes

Le théorème de Pythagore permet d'écrire que , on en déduit 2

, on en déduit

 

,

et

Alors Alors

Les fossés trapézoïdaux 1 

1

 

1

1

2

2

2

Les conditions d'application, permettant d'assurer la sécurité des usagers sont : 4 et 4 ou encore 6 et 3. Les fossés triangulaires (obtenu du cas précédent pour 0) 1 

1

 

1

avec les conditions

6 et

2 4 ou encore

1

4 et

6. 25 

 

II.3.1.2

Fossés profonds

Les canaux profonds jouent le même rôle que fossés plats, mais au pied de remblai ou lorsque les intensités des averses sont relativement élevées. Ce sont des ouvrages de forme trapézoïdaux de façon générale isocèle. Lorsque le débit à évacuer est faible ou encore dans les cas particuliers des zones urbaines, on peut avoir des caniveaux de forme rectangulaire.

Formes trapézoïdales

20

Lorsque les fossés sont réalisés en terre, le coefficient de rugosité obéit à 30 alors que pour les fossés revêtus, il obéit à 50 80

1

alors

Les dimensions de ce type d'ouvrage sont obtenus en faisant

,

2 √1

Formes rectangulaires

Pour ces types de fossés le coefficient de rugosité varie de cette façon 50 80. Les résultats se déduisent du cas ci-dessus en posant m=0

Les dimensions de ce type d'ouvrage sont obtenus en faisant alors

,

2

Les bordures et les bourrelets.

Ce sont des ouvrages, situés en bordure de la chaussée ou de l'accotement, qui permettent de protéger les talus contre le ravinement en guidant l'eau vers les avaloirs. Ils sont utilisés en crête de talus de remblai et éventuellement sur terre-plein central, lorsqu'il est revêtu.

26   

Figure II‐8 : Profil d'un bourrelet et sa position par rapport à une glissière 

Les descentes d'eau

Elles servent à évacuer: - Les eaux de ruissellement provenant de la chaussée et de l'accotement vers les pieds de talus de remblai - Les eaux récupérées depuis les fosses de crête des talus de déblai vers les avaloirs ou caniveaux situés en bordure de plate-forme Elles doivent canaliser les eaux pouvant s'écouler sur les talus pour éviter tout ravinement. Ouvrages implantés sur les crêtes de talus (de remblai ou de déblai, ils permettent d'acheminer au pied de talus, les eaux collectées sur les crêtes. Il en existe de superficielles et de souterraines. Lorsqu'elles sont superficielles, elles peuvent être en - Talus tuile en béton de dimensions standards : petits modèles 30 à 50 l/s et grands modèles de 200 à 250 l/s. - Des demi-tuyaux en amiante-ciment, en béton, ou métalliques emboîtés les uns dans les autres et ancrés dans les talus de plaques ou de plots en béton - Des ouvrages coulés sur place pour des débits plus importants.  

  Figure II‐9 : Descente d'eau 

Elles peuvent être enterrées auquel cas on peut utiliser les tubes en pvc noyés dans les talus. Le tableau suivant permet de guider le choix entre les deux types de descente d'eau. 27   

Avantages relatifs

Descente superficielle

Descente enterrée

9

Dégradation et érosion sont apparentes.

9 9

Entretien plus facile Nécessite une butée de pieds Peuvent gêner l'entretien des talus si mal encastrées

9

9 Inconvénients relatifs

9 9

9

Non apparent Facilite l'entretien du talus

9

Moins lourdes Etanchéisation nécessaire et donc exigeante

9

Problème d'obturation

Son plus fragile et manutention difficile

Elles peuvent être raccordées à un regard ou avaloir ou directement à un collecteur

Figure II‐10 : Descente d'eau et son raccordement au collecteur 

II.3.2

Les ouvrages de concentration des eaux

Ce sont les regards et avaloirs associés qui sont des ouvrages de concentration qui assurent la transmission des eaux recueillies par les ouvrages de collecte, les bordures et les bourrelets, vers les dispositifs d'évacuation situés hors de la plateforme.

Figure II‐11 : Regards et avaloirs associés 

28   

II.3.3

Ouvrage d'évacuation de l'eau de la plate-forme

Tête de buses 

Elles permettent de protéger l'extrémité d'une buse contre l'obstruction des terres provenant de l'érosion ou de l'affouillement éventuels des talus. Elles sont constituées d'un radier et de murs retenant les terres. Collecteurs 

Ils permettent d'évacuer les eaux hors du site. Ils sont constitués de fossés profonds, soit en terre, soit en béton. Ils peuvent être longitudinaux ou transversaux (traversée sous chaussée).

II.3.4

Schéma général de l'ensemble des ouvrages

Il permet de voir une vue d'ensemble de la plupart des ouvrages cités ci-dessus

Figure II‐12 : Schéma général des ouvrages de collecte des eaux superficielles sur un ouvrage routier : Ouvrages de raccordement : 1. Fossé de crête de talus à une  descente d'eau, 2. D'une descente d'eau à un fossé plat, 3. D'un bourrelet à une descente d'eau, 4. D'une traversée sous chaussée à une descente d'eau, 5. D'une  descente d'eau à un fossé profond.  

29   

III. DRAINAGE INTERNE DES CHAUSSEES ET DE LEURS ABORDS

Figure III‐1 : Origine des eaux internes 

  Figure III‐2 : photo. Alexandre SERVIER, CETE de Lille 

30   

Après une pluie, une partie des eaux peut s'infiltrer soit, directement à travers la chaussée, en fonction de la perméabilité du revêtement e de sont état de surface, soit à le bord et les accotements ou encore à travers le terrain naturel avoisinant, support de cette chaussée. La nappe sous-jacente peut également contribuer à un apport de l'eau au pied de l'ouvrage routier. Ces eaux sont à l'origine de nombreuses dégradations précoces des chaussées et de ses ouvrages annexes. Le but du drainage des eaux internes est de lutter contre la présence de ces eaux au pied de l'ouvrage. Le drainage va assurer, en grande partie, la pérennité de l'ouvrage en améliorant la stabilité de ses talus et de ses assises, réduisant ainsi la contamination des couches saines et donc en limitant la fatigue des chaussées. Si dans le cas de la présence d'un matériau comme le sable, le drainage interne consiste principalement à l'élimination de l'eau, il consistera surtout, dans le cas des matériaux argileux, à lutter contre les surpressions (pressions interstitielles dont les variations peuvent affecter rapidement container les couches saines et accélérer la fatigue des chaussée).

III.1 Fonction attendues des ouvrages du drainage  Les rôles que joueront les ouvrages de drainage sont principalement 9 d'éliminer ou de réduire les effets de l'eau accumulée dans la chaussée et le terrain naturel, support de cette chaussée, 9 de rabattre les nappes proches de l'ouvrage routier, 9 d'intercepter les remontées capillaires, 9 de stopper les diffusions latérales depuis le terrain naturel ou les accotements, 9 de capter et de collecter les eaux infiltrées dans les terres pleins et aménagements annexes.

III.2 Avantages d'un ouvrage routier bien drainé  De façon globale, comme nous l'avons signalé ci-dessus, un ouvrage routier dont les eaux internes sont bien drainées voit la stabilité de ses talus et de ses assises améliorées, contribuant ainsi à sa pérennité. De façon détaillée, les impacts positifs du drainage sur l'ouvrage routier peuvent se résumer en ces quelques points 9 Stabilisation des abords immédiats de la route, en particulier la tenue des talus, l'amélioration des butées et protection de la chaussée contre les effets de glissement, la réduction des coûts de construction d'ouvrage de protection des talus tels que les murs de soutènement ; 9 amélioration des caractéristiques mécaniques des sols, supports des chaussées, dans le cas de remontée périodique de la nappe; 9 conservation des portances des couches d'assise des chaussées proprement dites, en particulier en période humide

31   

9 meilleure tenue des ouvrages dans le temps, surtout lorsque les assises sont non traitées et que les perméabilités des couches sont différentes.

III.3 modes d'infiltration de l'eau sous la chaussée 

Figure III‐3 : Modes d'infiltrations des eaux internes 

III.3.1

Infiltrations verticales

Elle est faible sur une chaussée récente à structure épaisse à cause des perméabilités intrinsèques faibles, mais une infiltration conséquente peut s'observer au niveau des joints de la chaussée. L'infiltration verticale sera d'autant plus forte que l'épaisseur de la chaussée est faible. L'âge de la chaussé va augmenter les infiltrations à travers la chaussée, surtout lorsque cette chaussée possède des fissures plus ou moins ouvertes. Les bords de la chaussée ainsi que les accotements constituent des zones préférentielles de ces types d'infiltration.

III.3.2

Infiltrations horizontales et effet de bord

Les accotements et éventuellement le terre-plein central (surtout lorsqu'il n'est pas revêtu) sont plus perméables que les chaussées. L'eau non ruisselée va s'y stagner pour s'infiltrer lentement en fonction de la perméabilité, et vient saturer le sol sousjacent. Il se crée alors un déséquilibre hydrique entre le sol de fondation sous la chaussée et celui de l'accotement ou du terre-plein central, se traduisant par un mouvement horizontal d'eau par capillarité, appelé effet de bord. Il est d'autant plus néfaste qu'il intéresse la partie du sol de fondation la plus sollicitée par les charges roulantes.

III.4 Procédés de drainage des chaussées  III.4.1

Mesure contre l'infiltration directe sur chaussée

Sans contestation aucune, l'une des meilleurs façons de protéger la chaussée contre l'infiltration directe est leur imperméabilisation déjà à la construction. Cependant, pour des chaussées d'un certain âge, les fissures peuvent apparaître pour diverses raisons. Il est conseillé de les colmater assez rapidement dès qu'elles apparaissent afin de ne pas les laissées exposées à la pluie. En conclusion, la chaussée contribuera très peu aux eaux internes, dès que ces mesures de précaution sont prises.

32   

Il s'agira donc, pour la suite, de mieux s'intéresser aux effets de bord qui peuvent avoir des conséquences beaucoup plus importantes.

III.4.2

Protection contre les effets de bord

La première protection, surtout pour ce qui concerne les accotements est que lorsque ils ne sont pas revêtus, il faudra les déraser (aplanir en baissant le niveau) à un niveau légèrement inférieur à celui de la chaussée et celui de la bande d'arrêt d'urgence s'il en existe et s'assurer que leur densité est élevées figure III-4 c-.. Tous les cas de figure sont présentés sur la figure III-4. Si la bande d'arrêt d'urgence est recouverte d'un enduit en prévoyant une surlargeur de la couche de la couche de roulement pour que l'enduit la couvre partiellement (figure III-4 b-) et en veillant à obtenir une densité élevée à la partie supérieure de la bande d'arrêt

a‐Banda d'arrêt revêtue avec joint entre elle et la chaussée 

 

 

b‐ Bande d'arrêt enduite avec prévision d'une surlargeur. 

c‐ cas d'accotement non revêtu  Figure III‐4 : Mesure contre les infiltrations dans les bandes d'arrêt d'urgence 

Cependant, Parmi les ouvrages les plus efficaces pour la protection contre les effets de bord, les tranchées drainantes sont les plus usitées. On peut en citer : 9 Les tranchées drainantes latérales sous les bords extrêmes des couches de forme ou de fondation qui peuvent être associées à des couches drainantes réalisées sur toute la largeur de la chaussée (figure III-5). Elles servent à éliminer des assises des chaussées, les eaux de pluie infiltrées directement par les chaussées et les accotements, les venues latérales à travers le terrain naturel ou les accotements,

33   

Figure III‐5 Les tranchées drainantes latérales sous les bords extrêmes des couches de forme ou de fondation 

9 Les tranchées drainantes latérales au pied de talus de déblai, appelés aussi massifs drainants suivant l'importance de leur section (figure III-6). Elles ont pour rôle d'intercepter les venues d'eau latérales. Elles servent à drainer les eaux infiltrées dans les talus ainsi que le rabattement des nappes. On avait montré ci-dessus que les fossés profonds peuvent jouer le même rôle, mais il n'est pas toujours évident de pouvoir les réaliser et les entretenir. Dans ces cas, on fait recours à ce type de tranchée.

Massif drainant 

 

 

 b‐ fossé peu profond jouant le même rôle 

Figure III‐6 : Les tranchées drainantes latérales au pied de talus de déblai 

9 Les tranchées drainantes dans l'axe d'un terre-plein central permettent de capter et de collecter les eaux d'infiltration, surtout dans le cas particulier où les chaussées sont déversées vers l'intérieur, afin d'éviter les venues d'eau vers le corps de la chaussée (figure III-7).

Figure III‐7 :   

Les tranchées drainantes dans l'axe d'un terre‐plein central 

34   

9 Les tranchées drainantes associées à un collecteur constituent des dispositions constructives qui peuvent être appliquées pour les trois types nommés ci-dessus moyennant quelques précautions, notamment l'imperméabilisation du lit de pose (Figure III-8). 9

Figure III‐8 : Les tranchées drainantes associées à un collecteur 

 

9 Les tranchées drainantes sous les plates-formes larges sont des tranchées de faibles sections disposées transversalement ou en biais afin de lutter contre les remontées capillaires et les eaux de rétention, d''améliorer et d'uniformiser les portances lorsque le effet du rabattement latéral est insuffisant. 9 Les tranchées drainantes en crête de talus de déblai sont des ouvrages classiques en terrassement. Elles sont matérialisées sur la Figure III-9

Figure III‐9 :   

Les tranchées drainantes en crête de talus de déblai 

III.5 Caractéristiques et principe de pose  La coupe type de tranchées drainantes est matérialisée sur la figure III-10. Les drains ou collecteurs couramment utilisés sont de type béton armé poreux.

35   

Figure III‐10 : Coupe type de tranchée drainante 

Mais on en dispose également en polychlorure de vinyle rigide (les PVC), en amiante-ciment (de plus en plus inutilisé aujourd'hui, car l'amiante est un matériau cancérigène) en métal, annelés souples perforés de grande longueur en poterie et enfin géotextile Figure III-11.

            a 

 

 

 

b 

 

 

   c 

 

 

               d 

Figure III‐11 : drains ; a‐ Drain souple annelé enrobage géotextile ; b‐ Drain souple annelé enrobage végétal ; c‐ Drain rigide annelé ; d‐ Drain routier à cunette 

La pente minimale de pose est de l'ordre de 3mm/m et devra être augmentée suivant la rugosité des drains et la qualité de la pose. Pour fixer les idées, la pente est faible pour les PVC e forte pour le béton. Les tranchées doivent être ouvertes à l'avance depuis l'aval, le drain sera ensuite posé de l'amont vers l'aval pour éviter sa pollution en cas de pluie Le drain doit être muni de son filtre avant sa mise en service, son extrémité amont doit être obturée Les regards de surveillance et d'entretien sont posés tous les 100 m environ et à tous les endroits utiles pour l'entretien. Ils doivent être étanches et, si possible, dépasser un peu du sol pour éviter les entrées d'eau de ruissellement et d'éventuelles pollutions.

36   

IV. RETABLISSEMENT DES ECOULEMENTS NATURELS Les cours d'eau naturels s'écoulent suivant le réseau hydrographique du bassin versant. Vu que l'organisation du chevelu hydrographique n'est pas forcément organisé comme on le souhaite, certains cours d'eau seront traversé par le projet routier et, si rien n'est fait, il va empêcher l'écoulement naturel de ce cours d'eau qui n'aura pour solution que de façonner un autre chemin ou d'inonder les plaines à lui, disponibles. Cette modification peut avoir des conséquences néfastes sur l'ouvrage lui-même, mais également des effets nuisibles sur les populations riveraines. C'est la raison pour laquelle il est important de rétablir au mieux ces écoulements naturels (ce qui est l'objet de ce chapitre) afin d'éviter ces désagréments. L'objet de ce chapitre est donc de mettre en place des ouvrages hydrauliques qui permettent d'éviter la coupure de cours d'eau importants ou de favoriser l'étalement de l'eau dans un champ d'inondation. Comme nous l'avons dit ci-dessus, nous ne nous intéressons pas au cas des rivières et fleuves (ce qui est du ressort des études des ouvrages d'art). Nous nous limiterons donc au cas des ouvrages qui devraient pouvoir assurer le rétablissement des cours d'eau naturels (en tout cas dont les bassins versants (BV) sont inférieurs à 100 km2.

Figure IV‐1 : Buse semi‐circulaire, Photo : Serge CRISCIONE DREIF PST –LR de Melun, Marc VALIN CETE Nord‐Picardie 

37   

IV.1 Grandes  étapes  d'  une  étude  du  rétablissement  de cours d'eau (BV < 100 km2)  Elles sont résumées sur le schéma de la figure IV-2 Caractéristiques du BV   

Pluviométrie 

Contraintes diverses 

Choix de la  fréquence

Choix du type d'ouvrage  Débit de projet 

Implantation et profil en long de l'ouvrage

Choix d'une ouverture Régime à l'aval  de l'ouvrage 

Régime hydraulique dans l'ouvrage

Calcul de la hauteur d'au amont correspondante 

Comparaison  des hauteurs 

Hauteur d'eau  amont admissible 

Calcul des vitesses  Protections éventuelles    Figure IV‐2: Etapes d'étude de rétablissement de cours d'eau 

IV.2 Calcul des débits  Comme le montre la figure IV-2, l'une des étapes primordiales est l'estimation du débit de projet. Pour la plupart des bassins versants non urbanisés, des stations de 38   

mesures ne sont pas disponibles, aussi, des techniques d'estimation de ces débits sont proposées. Pour le cas des Bassins versant de superficie inférieure à 100 km2 (le cas qui nous intéresse ici), la méthode préconisée repose sur l'application de la formule rationnelle et sur l'emploi d'abaque donnant des débits des bassins versant de superficie inférieure à 100 km2. Cependant, la fiabilité de la formule rationnelle est sûre pour des superficies inférieures à 20 km2. Au delà, et surtout pour des temps de concentration dépasserait des limites de validité des courbes pluviométriques (< 6h en général), elle peut conduire à des sous-évaluations du débit, surtout quand on tient compte de la délicatesse du choix des coefficients de ruissellement. La formule rationnelle s'exprime par l'une des deux formules suivantes : / 2.78 . . .; A (ha) et i(mm/h) Et / . . .; A (km2) et i(mm/h) .

IV.2.1

Coefficient de ruissellement

Le coefficient de ruissellement instantané C dépend de la morphologie du terrain, de sa couverture végétale, de la pente et de la nature des éléments constitutifs du sol. Dans le cas ou le terrain étudié est homogène, relativement à ces paramètres le définissant, quelques valeurs de ce coefficient sont renseignés sur le tableau IV-1. Tableau IV‐1: Coefficient de ruissellement pour quelques terrains 

Nature du terrain et de la couverture végétale Plates-formes et chaussées de route, cours Terrain dénudé, ou à végétation non couvrante Terrain déjà attaqué par l'érosion Labours frais Cultures couvrantes, céréales hautes Terrain de parcours, chiendent ras Petite brousse clairsemée Prairies Brousse dense, savane à sous bois Forêt ordinaire en futaie sous bois touffus

Valeur du coefficient de ruissellement C Petits bassins de 0 à 10 ha avec une Bassins moyens de 00 à 400 ha pente (%) de avec une pente (%) de <à5 5-10 10-30 > 30 <à5 5-10 10-30 >30 0.95 0.80

0.85

0.90

0.95

0.70

0.75

0.80

0.85

0.75

0.80

0.85

0.90

0.52

0.60

0.72

0.80

0.70 0.30 0.20

0.75 0.50 0.25

0.80 0.60 0.30

0.85 0.70 0.40

0.30 0.13 0.15

0.36 0.20 0.18

0.12 0.25 0.22

0.50 0.30 0.25

 

Lorsqu'on est en présence de terrains hétérogènes, le coefficient de ruissellement équivalent est estimé par : ∑ ∑ ∑ Avec , les aires respectivement, des surfaces des éléments correspondantes aux coefficients

39   

IV.2.2

Intensité de la pluie

L'intensité de la pluie quand à elle est fournie par les courbes (idf) intensitédurée-fréquence. Mais dans le cas où ces courbes ne sont pas disponibles, on peut utiliser la formule de Montana encore appelée formule monôme : On peut l'exprimer également avec la formule hyperbolique qui s'écrit sous la forme Dans les deux cas ci-dessus, l'intensité est exprimée en temps est exprimé en .

IV.2.3

/

alors que le

Le temps de concentration

Le choix de l'une ou l'autre des formules ci-dessus dépend du temps de concentration. Ainsi, pour les temps de concentration supérieurs à 3-4 h, la formule de Montana est plus adaptée. Le calcul du temps de concentration peut se faire, pour les petits bassins versants, de différentes manières - A partir des vitesses d'écoulement de l'eau sur le bassin, de la façon suivante: 1 60 , le temps de concentration en , longueur (m) du cheminement de pente constante , vitesse (m/s) d'écoulement dont les valeurs dépendent de la couverture végétale et de la pente. Tableau IV‐2  : Vitesses d'écoulement 

Pente Vitesse d'écoulement (m/s) (%) Pâturage (Partie supérieure du Bois (Partie Impluvium naturel BV) supérieure du BV) mal défini 0-3 0.45 0.30 0.30 4-7 0.90 0.60 0.90 8-11 1.30 0.90 1.50 12-15 1.30 1.05 2.40 - A partir de la formule de KIRPICH 1 52

. .

, le temps de concentration en , distance en m entre l'exutoire et le point le plus éloigné du bassin versant 40   

, dénive - A partir de la formule de RICHARDS 1 étant le temps de concentration en heures De façon empirique, on prend 2√ k coefficient fonction du produit CR L longueur du chemin hydraulique en km avec H la hauteur en mm de l'eau tombée pendant la durée Ou encore 1 , intensité moyenne en mm/h correspondant à en heure C le coefficient de ruissellement du Bassin versant considéré p la pente du bassin versant considéré On adopte l'approximation suivante pour le coefficient k: . 55 on a Pour 0 . Pour 55

200 on a

IV.2.4

Crue du projet

. .

Le débit du projet, généralement centennal, on estime le débit décennal sur lequel on applique une correction, Q100/Q10, pour obtenir le débit centennal. Ceci se justifie simplement par le fait qu'on dispose rarement de pluies journalières centennales.

IV.3 Choix des ouvrages  Les ouvrages qui permettent de rétablir les débits naturels sont essentiellement les ponceaux (dalots et ouvrages voûtés) les buses et les radiers et ponts submersibles. Les dalots sont des éléments à section rectangulaire simple multiple. On distingue les dalots simples (constitués de piédroits verticaux fondés sur semelles ou radier général et sur lesquels reposent une dalle en béton), les dalots cadres (dans lesquels la dalle, les piédroits et le radier constituent une structure rigide en béton armé formant donc un cadre) et enfin les dalots portiques (analogues aux dalots cadres, mais sans radier, les piédroits verticaux sont fondés sur semelles). Ils sont généralement adoptés pour les débits élevés (dépassant 10 m3/h). Les buses sont des ouvrages utilisées exclusivement dans des sections où l'on dispose d'épaisseur suffisante de remblai, avec un minimum de remblai au dessus 41   

d'elles égale à 0.80 m. Elles peuvent être en béton métallique et peuvent avoir des sections circulaire, ellipsoïdale, en arche ou encore ovoïdale. Quand elles sont en béton, elle nécessite une fondation rigide et dès lors que leur diamètre commence par dépasser 1.20 m, elles ne sont plus intéressantes à cause de leur poids. Les buses sont généralement des éléments préfabriqués. Les radiers et les ponts submersibles sont des ouvrages hydrauliques qui sont submergés pendant les crues et qui permettent le franchissement des rivières seulement pendant les basses eaux. Si tout l''écoulement du cours d'eau se fait exclusivement au dessus des radiers, un certain débit s'écoule sous le tablier dans le cas des ponts submersibles et c'est seulement lorsqu'une crue produit un débit supérieur que l'excédent passe au dessus du tablier du pont. Les qui influencent le choix des ouvrages hydrauliques sont les suivants : ¾ L'importance du débit à évacuer qui permet de fixer la section ainsi que le type de l'ouvrage ¾ Les paramètres géométriques à savoir largeur du lit (largeur en miroir), éventuellement le fruit des berges, donc la section mouillée et périmètre mouillé, les paramètres hydrauliques représentés par la vitesse, par le coefficient de rugosité de Strickler (ou de Manning), , le coefficient de perte de charge à l'entrée de l'ouvrage , ainsi que la forme géométrique de la section d'écoulement. A noter que les sections rectangulaires évacuent un débit plus grand que les sections circulaires, dans le cas de faibles hauteurs d'eau. De même, un ouvrage unique, adapté au débit à évacuer et à la largeur du lit est généralement préférable à des ouvrages multiples qui augmentent les pertes de charge et rendent difficile le passage des corps flottants. ¾ La hauteur disponible entre la côte du projet et le fond du thalweg permettant de déterminer a hauteur disponible pour l'écoulement après prise en compte de l'épaisseur minimale des remblais de protection des buses ou de l'épaisseur des tabliers de ponts et ponceaux ainsi que la revanche jugée nécessaire pour le passage des corps flottants pendant les crues ¾ Les conditions de fondation des ouvrages ¾ La rapidité et la facilité de mise en œuvre ¾ La résistance aux agents chimiques ¾ La résistance aux chocs ¾ L'étude et la comparaison économiques des différents choix.

IV.4 Dimensionnement hydraulique de l'ouvrage.  IV.4.1

Considérations générales

Le choix de l'ouvrage fait (suivant les recommandations de la section précédente) il convient d'en déterminer l'ouverture ouvrage. Si la largeur est 42   

déterminée (généralement inférieure à la larguer du thalweg), il faudrait en déterminer la hauteur à l'amont et la vitesse à laquelle sera évacué le débit de la crue du projet. La hauteur amont (plus que le débit) va permettre le calage du profil en long de l'ouvrage, permettant en effet de prévoir des protections éventuelles, mais aussi de prévoir les impacts environnementaux de l'ouvrage érigé. La vitesse, quant à elle, permet de s'assurer des conditions limites d'écoulement (pour une vitesse trop faible, on assiste à un dépôt et donc accélération du colmatage de l'ouvrage, alors que les fortes vitesses vont contribuer éroder rapidement l'ouvrage). Ainsi, il y a nécessité de connaître le régime de l'écoulement résultant de l'ensemble thalweg amont-ouvragethalweg aval. Le dimensionnement consiste à choisir un ouvrage, sa pente, à vérifier son débit capable et la compatibilité de la hauteur d'eau amont avec la hauteur d'eau admissible (profil en long, riverains…). Pour vérifier cette compatibilité il faut au préalable connaître le régime d'écoulement à l'aval de l'ouvrage ainsi que celui dans l'ouvrage.

IV.4.2 IV.4.2.1

Cas des dalots et buses

Condition de fonctionnement

Les conditions de fonctionnement de ces ouvrages vont guider le choix de ces ouvrages. Il convient de bien les connaître ainsi que les diverses formes que peuvent prendre l'écoulement aux voisinages et à travers l'ouvrage hydraulique. Deux types de fonctionnement des ouvrages hydrauliques sont envisageables : • La sortie sera dite noyée lorsque le niveau de l'eau à l'aval immédiat de l'ouvrage dépasse le bord supérieur de l'ouvrage. On aura un remous de type surélévation du niveau à l'amont, et de ce fait l'écoulement se fera en charge(.

Tableau IV‐3 : fonctionnement d'ouvrage avec une sortie noyée 

• Lorsque le niveau d'eau à l'aval immédiat de l'ouvrage est en dessous du bord supérieur de l'ouvrage, on dira que la sortie est libre. Dans ce dernier cas, l'écoulement dépendra du niveau amont, deux cas sont possibles: , D étant le diamètre, dans le cas 9 Si le niveau d'eau est tel que d'une buse et la hauteur de l'ouvrage dans les autre cas. Le rapport r, qu'on prend souvent égal à , est le seuil où il y changement de 43   

forme d'écoulement, il est peut précis et est de façon générale compris entre 1.25 et 1.50. L'écoulement dans ces conditions se fait à surface

libre

Tableau IV‐4 : fonctionnement d'ouvrage avec une sortie dénoyée  avec écoulement à surface libre 

9 Dans le cas où le niveau d'eau est tel que , l'écoulement de l'eau dans l'ouvrage peut se faire à surface libre ou à pleine section, en fonction de la longueur de l'ouvrage, après une forte contraction à l'entrée amont semblable au passage d'une vanne de fond

Tableau IV‐5 :  fonctionnement d'ouvrage avec une sortie dénoyée  avec écoulement en charge 

IV.4.2.2

La revanche

La revanche a pour rôle de sécuriser l'ouvrage contre les déversement pardessus les remblais, par suite des vagues formées par le vent. Plusieurs formules ont été proposées par divers auteurs pour calculer d'abord la hauteur des vagues et estimer ainsi la revanche appropriée

MALLET et PACQUANT

Ils estiment que hauteur la hauteur h des vagues s'écrit , L étant la longueur du plan d'eau amont en km et que la vitesse de propagation de ces vagues est donnée par

, ce qui conduit à une revanche de

ANDREANOFF Il propose la hauteur des vague peut être évaluer par , W étant la vitesse du vent. Dans ce cas, si est la pente des talus, la revanche à adopter selon DJOUNKOVSKI est de : K dépend de la rugosité du talus, 1 pour les talus en terre lisse et 0.77 pour des talus perreyés La cote minimum des remblais sera donnée par 44   

étant la côte de la crue de projet sans l'ouvrage étant la surélévation de l'eau due à la présence de l'ouvrage R étant la revanche La détermination de se détermine dans les cas favorable, par des enquêtes (indispensables pour le projet) sur le terrain auprès des riverains. En effet, certains notent les niveaux des crues, année par année, ce qui permet une approche directe de la distribution fréquentielle de ces crues si ces données sont en nombre suffisant du point de vue statistique. D'autres marques les niveaux atteints par les crues remarquables et les dates de ces crues ainsi que les hauteurs de pluies correspondantes, donnant ainsi une idée de certaines fréquentes si on connait la distribution fréquentielle de ces pluies. A défaut de ces données précises, de toutes façon rares, les riverains peuvent donner des indications, qui bien que qualitatives, pourraient être très utiles à savoir : les niveaux fréquemment ou rarement atteins, les fortes vitesses, es zones inondées… Ces informations doivent être recoupées, dans la mesure du possible, avec les traces des crues récentes, la morphologie du cours d'eau, la végétation des berges. Cela donne des informations (ordre de grandeur) pour la détermination par le calcul du niveau des crues (par la formule de Manning-Strickler, vue en HSL et rappelé ci-dessus). Il est parfois utile, voir nécessaire, de laisser un tirant d'air pour laisser passer les corps flottants qui pourraient éventuellement être charriés par le cours d'eau. Mais ce tirant d'air n'est pris en compte que dans le cas des ponts et grands ouvrages d'art. IV.4.2.3

Sortie noyée

En appliquant le théorème de Bernoulli entre l'amont et l'aval, on peut écrire que Les pertes de charges se décomposent en : - Pertes de charge à l'entrée

. Le tableau IV-6 donne

quelques valeurs de du coefficient de perte de charge à l'entrée des ouvrages de type buse et le tableau - Pertes de charge dues au frottement le long de l'ouvrage.

45   

(Dans les conditions d'un écoulement uniforme, I=J d'où l'utilisation de la formule de formule Strickler). , ici,

- Et les pertes de charge à la sortie de l'ouvrage

.

Tout reste à savoir faire le calcul des sections mouillées, périmètre mouillé, rayon hydraulique, tirant d'eau. Tableau IV‐6 : Valeur du coefficient 

 pour les buses circulaires et arches 

Nature de la buse Buse en béton - biseauté selon le talus ………………………………………………… - Saillant hors remblai, coupée droite, extrémité amont à emboîtement femelle (chenfrein réduit , car le mâle le double) - Avec mur de tête (éventuellement et murs aile) extrémité amont à emboîtement femelle - Entrée chanfreinée……………………………………………………… Buses métallique - Saillant hors remblai, coupée droite……………………………………. - biseauté selon le talus ………………………………………………….. - Avec mur de tête ………………………………………………………. - Entrée chanfreinée………………………………………………………

0.7 0.5 0.2 0.2 0.9 0.7 0.5 0.2

 

  Figure IV‐3 : Différents types de buse  

 

46   

Tableau IV‐7 : Valeur du coefficient 

 pour les dalots 

Nature de la buse - Murs de tête • A bord francs sur 3 côtés………………………………………….. • Chanfreinée sur 3 côtés……………………………………………. - Murs en aile inclinés sur l'axe de 30° à 75° • Toit à bord francs…………………………………………………. • Toit à bord arrondi ou chanfreiné …………………………………. - Murs en aile inclinés sur l'axe de 10° à 25° • Toit à bord francs………………………………………………… • Toit à bord arrondi ou chanfreiné …………………………………. - Murs en aile dans le prolongement des parois latérales • Toit à bord francs………………………………………………….. • Toit à bord arrondi ou chanfreiné …………………………………. - Entrée chanfreinée………………………………………………………

0.5 0.2 0.4 0.2 0.5 0.2 0.7 0.4 0.2

Figure IV‐4 : Différents types de buse  

IV.4.2.4

Sortie libre

Les écoulements correspondant aux sorties libres sont extraimement complexe, contrairement au cas des sorties noyées. La pluspart des coefficeients coefficient qui les régissent sont empiriques. Dans le cas où , 'écoulement peut se faire en charge ou à surface libre. Dans ce cas, il se forme à l'entrée amont une section contractée semblable au passage d'une vanne de fond: le régime critique est atteint dans cette section et le débit est donné par: 47   

2 , C étant le coeffiient de contraction. En ce qui concerne le cas 1.25 , la méthodologie suivant est applicable L'organigramme suivant donne les étapes détaillé du dimensionnement hydrauliques des ouvrages de rétablissement des petits écoulements naturels.

Figure IV‐5 : Organigramme détaillé de dimensionnement des petits écoulements naturels 

IV.4.2.5

Régime dans l'ouvrage, hauteur amont

Les régimes d'écoulement sont déterminés dès lors qu'on connait les profondeurs normale et critique. Le chapitre 1 ci-dessus présente les outils permettant de déterminer chacune de ces profondeurs, et ceci pour toutes les géométries que présentent les sections d'ouvrage. La seule difficulté majeure est le calcul de la section mouillée, du périmètre mouillé et de la largeur en miroir. Dès lors que ces deux profondeurs sont connues à l'aval de l'ouvrage, on passe au calage du tirant d'eau aval 48   

( ) de l'ouvrage. Dans le cas particulier du régime à la sortie de l'ouvrage, on assimile la section du lit du cours d'eau à une section trapézoïdale pour les calculs. 9 Si , le régime d'écoulement est fluvial, alors 9 Si , le régime d'écoulement est torrentiel, alors 9 Si , le régime d'écoulement est critique Il est important de signaler que si l'aval de l'ouvrage se trouve en régime fluvial, alors il est préférable de caler l'ouvrage en régime fluvial (par modification, si besoin est, des dimensions de l'ouvrage ou de sa pente), afin d'éviter la formation d'un ressaut hydraulique (se rappeler que le ressaut hydraulique n'est rien d'autre que le passage d'un régime torrentiel à un régime fluvial et que ce phénomène se produit avec uns forte dissipation d'énergie qui peut provoquer des affouillements plus ou moins importants). IV.4.2.6

Régime dans l'ouvrage et hauteur amont

Ici aussi, on utilise les notions du chapitre 1, en mettant à profit la section de l'ouvrage pour estimer les profondeurs normale et critique dans l'ouvrage. a- Si , le régime (En clair, il s'agit de la classe) d'écoulement est fluvial dans l'ouvrage, Dans ce cas, la ligne d'eau dans l'ouvrage va dépendre du tirant d'eau aval déterminé ci-dessus. Deux cas de figures peuvent se présenter, dictés par la position relative de ce tirant d'eau aval par rapport au tirant d'eau critique. , dans ce cas, la ligne d'eau de type F3 est matérialisée sur la Cas 1 : figure IV-3. Le théorème de Bernoulli, appliqué entre deux sections voisines à l'entrée de l'ouvrage 1 et 2, permet d'écrire que

 

Figure IV‐6 : Remous de type F3 dans à l'aval de l'ouvrage

2

2

∆  

Soit  

49   

y

V 2g

K

V   2g

En négligeant la vitesse d'entrée de l'ouvrage devant celle dans l'ouvrage qui lui est nettement supérieure et en remarquant que y y , on peut écrire enfin que y

1

K

V 2g

Cas 2 : , dans ce cas, tout dépendra des positions relatives et . , la ligne d'eau est de type F2 (Figure IV-4, Dans un premier cas on a matérialisée par la courbe 1) , la ligne d'eau est de type F1 à l'aval, matérialisée Dans un second cas, par la courbe 2 sur la Figure IV-4. Il faut préciser que si la ligne d'eau est supérieur à la hauteur maximum de l(ouvrage (F) l'écoulement se fera en charge, auquel cas il faudra modifier soit l'ouvrage, soit sa section. Tout dépendra de la nature du thalweg.

Figure IV‐7 : Ouvrage en régime fluvial, remous de type F1 et F2 à l'aval 

b- Si , le régime d'écoulement est critique qui est généralement instable, donc à éviter dans tous les cas , la classe de l'écoulement est torrentielle, alors la ligne c- Si d'eau dans l'ouvrage va dépendre des conditions amont.

50   

Figure IV‐8 : Ouvrage en classe torrentiel avec régime aval torrentiel 

Si la condition amont est telle que , on a un régime torrentielle à l'aval (Figure IV-5) et ici également, l'expression de la charge amont est la même que précédemment, main cette fois-ci, la hauteur d'eau dans l'ouvrage sera prise égale à y

y y

1

K

V 2g

Si la condition amont est telle que , le régime de l'écoulement à l'aval sera fluvial (Figure IV-6) et donc apparition de ressaut hydraulique, ce qui est fortement déconseillé, il faudra donc, soit augmenter l'ouverture de l'ouvrage, soit diminuer la pente afin d'obtenir un régime fluvial à l'aval.

Figure IV‐9 : Ouvrage en régime torrentiel avec régime aval fluvial (apparition de ressaut hydraulique) 

IV.4.2.7

-

Vitesse de l'eau

Il est nécessaire de calculer la vitesse de l'eau dans l'ouvrage pour déterminer la hauteur d'eau amont, vérifier que cette vitesse reste inférieure au seuil imposé par la nature de l'ouvrage afin d'éviter l'érosion, dans tous les cas, qu'elle reste inférieure à 4m/s. Dans le cas contraire, il faudra modifier l'ouvrage pour respecter cette condition, de s'assurer qu'elle est supérieure aux vitesses minimales suivant les diamètres, à respecter, pour éviter le dépôt de particules dans l'ouvrage (Tableau IV-8) Prévoir éventuellement des protections conséquentes. 51 

 

Pour le cas des ouvrages fonctionnant en charge, la calcul est simple : . Pour le cas des sorties libres, le calcul des vitesses est plus complexe, car elle dépend du tirant d'eau dans l'ouvrage. IV.4.2.8

Pente des ouvrages

Il est nécessaire de s'assurer que l'ouvrage est capable d'évacuer le débit critique, correspondante à la hauteur amont. Dans ce cas, il faut au moins que la pente du canal soit au moins égale à la pente critique, on assure ainsi le fait que l'écoulement se fait de façon torrentielle et qu'il n'y ait pas de risque de formation de ressaut hydraulique. La pente critique est la pente qui permet d'écouler de façon uniforme à la profondeur critique. Deux étapes guident donc son calcul: 9 La profondeur critique par la formule

1 /

9 La pente critique par la formule Tableau IV‐8 : Vitesses minimales à respecter pour éviter des dépôts 

Nature des matériaux Sable fin (< 0.05 mm) Graviers fins (< 5 mm) Gros gravier (5 mm à 15 mm) Cailloux (15 mm à 30 mm) Gros cailloux (30 mm à 10 mm) IV.4.2.9

vitesses 0.40 à 0.50 m/s 0.50 à 0.70 m/s 0.70 à 0.90 m/s 1.00 à 1.20 m/s 1.50 à 1.80 m/s

Implantation des ouvrages

En plan, la protection se fait en priorité dans le lit du cours d'eau. Si cela n'est pas possible (par exemple pour les tracés sinueux ou pour des biais prononcés), il faudra assurer : - La conservation d'un bon écoulement hydraulique à l'amont et à l'aval de l'ouvrage (une rectification du lit du cours d'eau peut s'avérer nécessaire, voir la figure IV-10) - La protection des coudes du nouveau lit et des zones remblayées de l'ancien lit Si l'écoulement est permanent, il faut également tenir compte dans le projet de la mise en place d'une déviation provisoire du cours d'eau ou éventuellement de la construction de l'ouvrage à côté du lit.

52   

Figure IV‐10 : Rectification du lit pour diminuer le biais d'un franchissement 

En profil en long, le calage de l'ouvrage peut être plus délicat ; il est lié à la pente du lit et aux contraintes éventuelles sur le profil en long de la voie. - Si la pente du lit est normale (0.5 à 6%) et il n'y a pas de contrainte de profil eb long de la voie, l'ouvrage sera calé suivant le profile en long du cours d'eau (radier à -0.20 m environ par rapport à ce profile en long théorique). - Si la pente du lit est trop élevée, deux types de solutions sont possibles : • Aménager des disposifs de ralentissement de l'eau (dissipateurs d'énergie) en conservant le profil en long du lit. Cette solution, valable uniquement dans le cas des dalots, peut nécessiter la réalisation d'ancrage de l'ouvrage; • Caler l'ouvrage avec une pente plus faible que celle du cours d'eau en faisant déboucher l'ouvrage à flanc de talus ou en creusant l tête amont par rapport au terrain naturel. Le choix entre ces solutions dépend du débit à caler et de la nauture du terrain - Si la pente est faible ou nulle, l'ouvrage sera implantée avec la pente maximale que permet l'approfondissement du lit par curage - Si le profil en long de la voie nécessite un approfondissement de l'ouvrage, on peut prévoir : • Des ouvrages surbaissés : buses arche ou dalots, • Plusieurs ouvrages de plus faible capacité (solution moins bonne hydrauliquement, • Un approfondissement du lit si un curage à l'aval permet d'évacuer l'eau, • Dans les cas extrême un siphon ou un pont-canal IV.4.2.10 Potection des ouvrages

Pour éviter l'érosion à l'amont et à l'aval de l'ouvrage on peut disposer des parafouilles et des murs de tête. Les protections des talus sont assurées par des murs d'aile et un mur de tête 53   

IV.4.2.11 Eléments caractéristiques

Il s'agit très sommairement du calcul de section mouillé, pour les figures complexes. Dalot

La section mouillée est juste donnée par le tirant d'eau dans l'ouvrage. Son périmètre mouillé s'écrit simplement Buse circulaire

,

étant la largeur de base et

2

 

2 y  θ 

La section mouillée est donnée par Son périmètre mouillé s'écrit simplement Avec 1 Buse arche

Le tableau suivant permet de calculer les éléments caractéristiques de ce types de buses Tableau IV‐9 : Caractéristiques géométriques des buses arches type ARMCO 

54   

Tableau IV‐10 : Caractéristiques géométriques des buses arches type ARMCO 

55   

IV.4.3

Cas des radiers et ponts submersibles

Les radiers et ponts submersibles permettent de franchir les rivières en période de basses eaux et sont submergés en cas de crues. Les radiers sont établis sur le fond des cours d'eau et l'eau passe exclusivement par dessus. Ils sont utilisés pour des rivières non pérennes et convient pour les zones sahéliennes. Les ponts submersibles quant-à eux laissent une partie du débit sous leur tablier et l'excédent passe au dessus en cas de forte crue. Nous ne discuterons que des radiers dans le care de ce cours IV.4.3.1

Dimensionnement des radiers

On distingue les radiers à fond de lit, des radiers surélevés et des radiers à partie courbe. IV.4.3.1.1 Radier à fond de lit

Il servent à faire épouser le radier aux formes de la rivière. Le tirant d'eau dans les conditions d'un écoulement est facilement calculable par la formule de ManningStrickler. Ce tirant d'eau sera d'autant plus précis que nous disposons d'une bonne chronique de mesures hydrométriques. IV.4.3.1.2 Radier surélevé

Les contraintes imposées par le profil en long d'une route peuvent obliger le projeteur à adopter un radier surélevé par rapport au fond du lit naturel IV.4.3.1.2.1 Types d'écoulement 

L'écoulement qui se faire par-dessus de ce type de radier est semblable à celui qui se fait sur un déversoir à crête épaisse. On assiste à une surélevation du niveau d'eau à l'amont. On assistera ensuite à un abaissement progressif pour se connecter au niveau normal du cours d'eau après passage du radier

Figure IV‐11 : Ligne d'eau à travers un radier 

Suivant les valeurs des charges amont et aval, on distingue deux types d'écoulement: 56   

9 Si 0.8 , l'écoulement est dit dénoyé, alors le niveau aval n'influence pas l'écoulement 0.8 , l'écoulement est dit noyé, le niveau aval ralentit 9 l'écoulement en supposant qu'il n'y a pas On calcule, en utilisant Manning Strickler par la méthode ci-après, en supposant le de radier. On calcule ensuite , on recalcule avec la formule des régime dénoyé. Si écoulements noyés IV.4.3.1.2.2 Ecoulement dénoyé 

L'association du théorème de Bernoulli et de la condition de régime critique donne pour un radier, en régime dénoyé, la forme générale suivante : 2 étant un coefficient issus des mesures expérimentales et dépendant de la forme générale et des caractéristiques du radier, L étant sa longueur Radier horizontal Pour les franchissements des cours d'eau de grande largeur avec des lames d'eau peu importante. 0.43 0.70

2

0.185

Soit 1.9 0.70

/

0.185

Q, débit de pointe de la crue du projet en / , hauteur amont, comptée à partir de la crête du radier, en m B est la largeur du radier, en m L en est la longueur en m Radier à parties courbes Leur choix peuvent être guidés par les conditions naturelle (géomorphologie) et du profil en long de la ligne d'eau. Le débit véhiculé sur le radier donne 1.136

0.70

0.185

Dans laquelle / Q, débit de pointe de la crue du projet en , hauteur amont, en m B est la largeur du radier, en m L en est la longueur en m et sont les rayons des parties courbes du radier 57   

Figure IV‐12 : Radier à parties courbes 

Radier à palier horizontal avec parties courbes

  Figure IV‐13 : Radier à palier horizontal avec parties courbes 

Le débit véhiculé est l'addition des deux débits des deux cas ci-dessus IV.4.3.1.2.3 Ecoulement noyé 

Pour un radier horizontal, on a 1.9 0.70 0.185 Pour un radier à palier horizontal avec parties courbes 1.136

0.70

/

0.185

58   

V. BIBLIOGRAPHIE Biaou, A, 2008, Logiciel de petits calculs en hydraulique générale, 2iE, Ouagadougou, Burkina Faso Carlier, M., 1972, Hydraulique générale et appliquée, Eyrolles, Paris, France Lencastre, A., 2005, Hydraulique générale, Eyrolles, Paris, France Mar, A. L., 2004, Cours d’hydraulique. Tome 1 : Ecoulement en charge, Polycopié de cours de l’Institut International d’Ingénieur de l’Eau et de l’Environnement, Edité au 2iE, Ouagadougou, Burkina Faso Mar, A. L., 2004, Cours d’hydraulique. Tome 2 : Ecoulement à surface libre, Polycopié de cours de l’Institut International d’Ingénieur de l’Eau et de l’Environnement, Edité au 2iE, Ouagadougou, Burkina Faso Couverture végétale Bois Pâturage Culture

Morphologie Presque plat Ondulé Montagneux Presque plat Ondulé Montagneux Presque plat Ondulé Montagneux

Pente (%)

Terrain avec sable grossier

Terrain argileux ou limoneux

Terrain argileux

0.5 5-10 10-30 0.5 5-10 10-30 0.5 5-10 10-30

0.10 0.25 0.30 0.10 0.15 0.22 0.30 0.40 0.52

0.30 0.35 0.50 0.30 0.36 0.42 0.50 0.60 0.72

0.40 0.5 0.6 0.40 0.55 0.60 0.60 0.70 0.82

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