SOMMAIRE R EMERCIEMENTS EMERCIEMENTS ESUME R ESUME ABSTRACT LISTE DES ILLUSTRATIONS LISTE DES TABLEAUX LISTE DES NOTATIONS
I NTRODUCTION GENERALE ............................................ ................................................................... ............................................. ................................... ............. 1 Chapitre Premier ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. ............................ ..... 3
GENERALITES SUR LES BARRAGES 1.1.
Introduction ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. ............................ ..... 3
1.2.
Différents types de barrages ................................. ........................................................ ............................................. ................................... ............. 3
1.3.
Avantages et inconvénients de divers type de barrage .......................................... ................................................. ....... 15
Chapitre deuxième......................................... ............................................................... ............................................. .............................................. .......................... ... 18
DIMENSIONNEMENT IMENSIONNEMENT ET ANALYSE DE LA STABILITE D'UN BARRAGE EN TERRE 2.1.
Etude de dimensionnement d'un barrage en terre.................... terre .......................................... ..................................... ............... 18
2.2.
Dimensionnement d’un barrage en terre ............................................ ................................................................... .......................... ... 20
2.3.
Ouvrages annexes ......................................... ................................................................ .............................................. ......................................... .................. 25
2.4.
Etude de stabilité d’un barrage en terre . ............................................................ ....................................................................... ........... 27
2.5.
Tassements ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. .......................... ... 29
Troisième Chapitre ........................................................... ................................................................................. .............................................. .............................. ...... 30
OUTILS NUMERIQUES DE CALCUL 3.1.
Introduction ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. .......................... ... 30
3.2.
Logiciel TALREN ................................................ ....................................................................... ............................................. ................................. ........... 30
3.3.
Le code Plaxis ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................ ...................... 32
Quatrième Chapitre ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................ ...................... 37
ÉTUDE DE LA STABILITE DU BARRAGE DE SOUBELLA 4.1. Présentation de la digue Soubella............................................. .................................................................... ......................................... .................. 37 4.2. Localisation de la digue Soubella............................................. .................................................................... ......................................... .................. 37 4.3. Problématique......................................... ................................................................ ............................................. ............................................. .............................. ....... 38 4.4. Les objectifs à atteindre par ce barrage barr age ............................................ ................................................................... ................................. .......... 39
4.5. Description de l’ouvrage ........................................... .................................................................. ............................................. ................................. ........... 39 4.6. Climatologie ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. .............................. ....... 40 4.7. Géologie ............................................. .................................................................... ............................................. ............................................. .................................. ........... 44 4.8. Caractéristiques Caractérist iques géotechnique des matériaux mat ériaux ............................................................ ................................................................... ....... 46 4.9. Calcul Calc ul de la Stabilité ............................................. .................................................................... ............................................. ..................................... ............... 47 4.10. Synthèse ........................................... .................................................................. .............................................. ............................................. ................................. ........... 54
CONCLUSIONS GENERALES ........................................... .................................................................. ............................................. ................................. ........... 58 EFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .............................................. R EFERENCES .................................................................... ............................................ ...................... 59
Quatrième Chapitre ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................ ...................... 37
ÉTUDE DE LA STABILITE DU BARRAGE DE SOUBELLA 4.1. Présentation de la digue Soubella............................................. .................................................................... ......................................... .................. 37 4.2. Localisation de la digue Soubella............................................. .................................................................... ......................................... .................. 37 4.3. Problématique......................................... ................................................................ ............................................. ............................................. .............................. ....... 38 4.4. Les objectifs à atteindre par ce barrage barr age ............................................ ................................................................... ................................. .......... 39
4.5. Description de l’ouvrage ........................................... .................................................................. ............................................. ................................. ........... 39 4.6. Climatologie ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. .............................. ....... 40 4.7. Géologie ............................................. .................................................................... ............................................. ............................................. .................................. ........... 44 4.8. Caractéristiques Caractérist iques géotechnique des matériaux mat ériaux ............................................................ ................................................................... ....... 46 4.9. Calcul Calc ul de la Stabilité ............................................. .................................................................... ............................................. ..................................... ............... 47 4.10. Synthèse ........................................... .................................................................. .............................................. ............................................. ................................. ........... 54
CONCLUSIONS GENERALES ........................................... .................................................................. ............................................. ................................. ........... 58 EFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .............................................. R EFERENCES .................................................................... ............................................ ...................... 59
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. "PLAXIS"
"TALREN"
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Résumé
Le travail présenté dans ce mémoire a pour but d’analyser la stabilité d’un barrage en terre. En premier temps on a présenté des généralités sur les barrages, les différents types, leurs avantages et leurs inconvénients.
Ensuite on a exposé les différentes méthodes de dimensionnement et
d’analyse de la stabilité
des barrages en terre, la protection des talus amont et aval et le processus de drainage par filtres et ouvrages annexes.
Après présentation du logiciel TALREN et du code de calcul par éléments finis PLAXIS, par modélisation numérique on a fait une analyse comparative des résultats des calculs du coefficient de sécurité par différentes méthodes, ainsi qu’une analyse de sensibilité du coefficient de sécurité aux variations du facteur d’accélération sismique horizontal avec la mise en œuvre de la réglementation parasismique algérienne en vigueur.
On a terminé par une applic ation pratique à l’étude de la stabilité des talus de la digue du barrage en terre de Soubella situé dans la commune de Magra (wilaya de
M’sila).
Mots clés : stabilité – barrage – modélisation numérique – digue – amont – aval.
Abstract
The purpose of the work presented in this memory is to analyse stability of dam in the ground.
In the first stage generalities were presented on the dams, the different types, their advantages and their disadvantages.
The different methods of sizing and analyzing the stability of earth dams, the protection of the upstream and downstream slopes and the drainage process by filters and related structures have been described.
After the introduction of the TALREN software and the PLAXIS finite element calculation code, numerical modeling was carried out using a comparative analysis of the results of the safety coefficient calculations by different methods, as well as a sensitivity analysis of the safety coefficient Variations of the horizontal seismic acceleration factor with the implementation of the Algerian seismic regulations in force.
A practical application to the study of the stability of the slopes of the barrier dyke in Soubella soil in the municipality of Magra (wila ya de M'sila) was completed.
Key words: stability - dam - numerical modeling - dam - upstream - aval.
INTRODUCTION GENERALE La stabilité des ouvrages en terre (déblais, remblais, digues) et des pentes naturelles est un problème qui préoccupe les géotechniciens tant praticiens que chercheurs. Les désordres engendrés par la rupture des pentes sont généralement spectaculaires, souvent destructifs et parfois meurtriers. De nombreuses méthodes de calcul de stabilité ont été proposées. Celles-ci se différencient par les hypothèses admises par leurs auteurs (méthodes de calcul en équilibre limite, méthodes de calcul à la rupture, méthodes de calcul en déformations) et par la facilité de leur mais
mise en œuvre,
elles s’accordent toutes à définir un coefficient de sécurité global en fonction duquel la
stabilité du talus étudié est considérée comme assurée ou compromise, ou par des coefficients de sécurité partiels
affectant, d’une part, les sollicitations appliquées et, d’autre part, les propriétés
mécaniques des sols. Les progrès des ordinateurs et des méthodes d'analyse numérique ont permis de mettre au point des modèles rhéologiques et des algorithmes de résolution, conduisant à des modélisations qui prennent mieux en compte le comportement observé sur le terrain. La modélisation du comportement des sols est une étape importante qui conditionne la qualité des analyses des ouvrages. Le travail présenté dans ce mémoire consiste en une étude de la stabilité des talus amont et aval des barrages en terre. Il a pour objectif de proposer une orientation scientifique sur l ’utilisation des différents modèles de comportement de sol pour l'étude des remblais constituant le corps de la digue et des couches de fondation sur laquelle r epose le barrage et les ouvrages annexes. Pour modéliser le comportement du sol de remblai et du sol de sa fondation, on a utilisé différents modèles de comportement de sols employés dans le logiciel Plaxis V8. Une étude en plusieurs configuration (en fin des construction, en régime perman ent
et lors d’n
vidange) sous sollicitations sismique a été réalisée afin de montrer l’effet du modèle de comportement du sol de fondation et du sol de remblai ainsi que l'effet des paramètres géométriques et hydrauliques sur les résultats de calcul, avec une comparaison des résultats.
Pour atteindre l’objectif visé, le travail est divisé en quatre chapitres :
Chapitre 1 : Généralités sur les barrages ; les différents types de barrage ; les barrages en béton ; les barrages en terre ; les avantages et les inconvénients des différents types de barrages.
Chapitre 2 : les méthodes d’analyse de la stabilité d’un barrage en terres ; définition du profil
général d’un barrage en terre ; la protection des talus amont et aval ; procédés de drainage ; méthodes de calcul de la stabilité. 1
Chapitre 3 : Modélisation numérique de la stabilité des talus de la digue du barrage : présentation des outils numériques utilisés : le logiciel TALREN et le code de calcul par éléments finis PLAXIS ;
Chapitre 4 : Etude d’un cas : elle comporte une application numérique au calcul de stabilité
d’un barrage situé dans la commune de Magra (wilaya de M’sila), l’analyse de stabilité au glissement des talus amont et aval en fin de construction et en régime permanent sous l’effet du séisme.
2
Chapitre Premier
GENERALITES SUR LES BARRAGES
1.1.Introduction
Les barrages sont, par définition, des ouvrages d’art hydraulique qui barrent sur toute la largeur une section d’une vallée, et qui créent ainsi une dépression topographique artificielle étanche à l’eau. De manière générale et dans la plupart des cas, la hauteur du barrage dépasse le niveau d’eau atteint par les cours d’eau en période de forte crue. Fondamentalement, les barrages réalisés contribuent de manière décisive à l’approvisionnement en eau potable, l’irrigation et la protection contre les inondations de larges zones du territoire où l’égard à la composante environnementale est de place.
1.2. Différents types de barrages Selon la nature du matériau de construction utilisé, on classe les barrages selon deux grandes catégories :
les barrages en béton,
les barrages en remblai (digues).
Certains anciens barrages, datant pour la plupart du XIX' siècle, ont été réalisés en maçonnerie. Ils sont en règle générale assimilés aux barrages en béton, car par leur forme, ils peuvent presque toujours être classés parmi les barrages poids. A cette classification, on peut ajouter les barrages hybrides ou composés. En effet, certains grands barrages peuvent comprendre des sections en béton et en remblai mises côte à côte. L'exemple fréquent est celui d'une construction en béton comportant un évacuateur de crue flanqué de barrages en remblai soit d'un côté soit de part et d'autre. Dans d'autres cas, la section de l'ouvrage est constituée de plusieurs types de matériaux. Il existe aussi des barrages où un rem blai vient s'appuyer sur un mur en maçonnerie. En outre, il faut mentionner les barrages de retenue pour le stockage de stériles miniers. Ils sont constitués de remblais successifs dont les matériaux utilisés (sol naturel, stérile minier, débr²is de roche) sont de qualité variable.
3
1.2.1. Barrage en béton On distingue trois grandes familles de barrages en béton, chacune comportant un certain nombre de sous-familles.
Figure 1. 1 : Les familles de barrages en béton
1.2.1.1. Typologie et description Les petits barrages en béton se regroupent principalement en trois types :
Barrages poids
Par leur poids et par leur section trapézoïdale, ils résistent à la poussée de l'eau. Tout comme les barrages en maçonnerie, les barrages en béton sont des ouvrages rigides et en conséquence leur conception sera aussi conditionnée par la qualité des fondations.
Barrages voûtes
Ils résistent à la poussée de l'eau par leur forme qui leur permet de répercuter la poussée hydrostatique sur la fondation par des arcs travaillant en compression. La voûte des ouvrages de faible hauteur, peut être très mince et présente une simple courbure.
Barrages à contreforts
Ils sont composés d'un voile en béton armé et d'une série de contreforts destinés à reprendre la poussée de l'eau et à la transmettre à la fondation.
4
1.2.1.2. Barrages poids Un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple leur section s'apparente dans la plupart des cas à un triangle rectangle. On compte deux grandes familles de barrage-poids, les barrages poids- béton, et les barrages en remblais (ces derniers n'étant d'ailleurs généralement pas qualifiés de barrage-poids, mais de barrage en remblais). Les profils adoptés pour ces ouvrages sont bien souvent un compromis technico économique découlant directement de calculs de stabilité. De plus, nous évitons autant que possible des formes complexes qui entrainent une augmentation inutile du coût de coffrages. Une galerie de visite, si elle s'impose dans les grands ouvrages n'est guère utile pour ceux de taille modeste et pas envisageable pour les barrages de quelques mètres de hauteur. Enfin, pour améliorer l'étanchéité du contact béton fondation et la résistance au glissement, il sera souvent bénéfique de réaliser une clé d'ancrage armée.
Figure 1. 2 : Barrage poids
1.2.1.3. Barrages voûtes
Le barrage voûte représente l’ultime aboutissement de l’utilisation des propriétés du béton en termes de résistance. Il permet des économies de volume d’au moins 30 % par rapport à un barrage-poids. On pourrait
comparer sa forme à celle d’un pont couché sur l’un de ses côtés, et qui
chargerait de l’eau au lieu de véhicules. L’effort de résistance est ainsi en partie reporté par l’arc central sur les rives, permettant de construire des ouvrages moins volumineux, à performance
égale. En revanche, les fondations, sur lesquelles se reporte une grande partie de l’effort, doivent posséder des caractéristiques mécaniques élevées afin de supporter celui-ci. 5
Figure 1. 3 : Barrage voûte
1.2.1.4. Barrages à contreforts Les autres formes de barrages voûtes sont des variantes des deux premiers types. Le barrage à
contrefort est ainsi un barrage poids allégé de l’intérieur. Le barrage à voûtes multiples, quant à lui, repose sur des appuis inter médiaires,
lorsqu’une trop grande portée sépare les deux rives
d’un cours d’eau. Il est constitué : - D’une série de murs parallèles,
généralement de forme triangulaire, plus ou moins épais et plus
ou moins espacés (les contreforts); -
D’une bouchure entre les contreforts transmettant à ceux-ci la poussée de l'eau. Il est bien
adapté aux vallées larges avec une fondation rocheuse de bonne qualité. Dans des vallées plus larges où le barrage-poids supposerait des volumes de béton trop importants et où le barrage voûte ne serait pas réalisable, nous pensons à construire des barrages à contreforts, par ailleurs beaucoup moins sensibles aux sous-pressions que le barrage-poids, mais plus fragiles.
6
Figure 1. 4 : Différents types de barrages à contreforts Dans ce type d'ouvrages, l'étanchéité est assurée par le voile en béton arme situé en amont et la stabilité vis à vis de la poussée de l'eau par les contreforts. Le voile peut être conçu de plusieurs façons : -
Solidaire des contreforts avec parement amont plan. Les diverses sections de voile sont liées aux contreforts et fonctionnent en consoles courtes.
-
Constitué d'une dalle posée aux extrémités sur les têtes des contreforts. Le voile travaille en flexion comme une poutre posée sur deux appuis simple aux extrémités ;
-
Solidaire des contreforts avec parement amont cylindrique. Cette disposition massive facilite la transmission de la posée au contrefort ;
-
Constitue d'un voûte de faible portée et donc de faible épaisseur s'appuyant sur les contreforts.
Figure 1. 5 : Barrages à contreforts
7
1.2.2. Les barrages en remblai Les barrages en remblai se partages en deux groupes
Figure 1. 6 : Les différents types de barrage en remblai
1.2.2.1. Barrages en enrochements
Un barrage en enrochement n’est pas autre chose qu’un tas de cailloux à grande échelle, qui résiste par sa masse aux efforts auxquels il est soumis.
Mais n’étant pas étanche par lui-même, il faut lui adjoindre un organe d’étanchéité qui constitue la partie la plus délicate, aussi bien au stade du projet qu’à celui de la réalisation. 1.2.2.1.1. Construction De même que sur quelques mètres, le parement aval est constitué par des enrochements rangés,
mais pour des raisons différentes. C’est que l’intérieur du massif, si des blocs ne sont pas en équilibre stable et que, par suite d’une cause ou d’une autre, cet équilibre est détruit, il se produit un réarrangement des blocs qui se traduit simplement par un certain tassement.
Ceci dit, la mise en place du massif proprement dit d’enrochements peut être effectuée de plusieurs manières.
Sur le parement aval, l’équilibre pourrait être rompu de manière à ce qu’un bloc soit éjecté du massif et roule sur le parement aval, ce qui formerait un trou amorce de déséquilibres ultérieurs
pour la même raison le pied aval sera constitué d’enrochement rangés. Pour des raisons de statique et d’hydraulique, le corps d’un barrage en béton ou remblayé doit être relié à un
parement vertical d’étanchéité qui s’enfonce profondément dans le sous -sol ro8
cheux. La profondeur de cet élément étanche dépend de la hauteur du barrage, donc de la pression dynamique.
Le parement d’étanchéité peut être réalisé avant ou pendant les trava ux de construction du barrage. Dans le dernier cas, le parement est effectué à partir d’une galerie de surveillance située dans le corps du barrage. Si, après stockage des eaux, une fuite apparaît dans le parement, l’eau d’infiltration sera évacuée dans la galerie de surveillance par un drain situé sur le pied du parement.
En outre, cette galerie servira d’entrée pour effectuer plus tard des travaux d’étanchéité et des missions de contrôle.
Figure 1. 7 : Coupe transversale d’un barrage en enrochement 1) Enrochement, taille maximale 1000 mm 2) Noyau étanche en matériau limoneux et argileux 3) Filtres-drains en matériau grossier et en matériau fin, de 2,0 m chacun 4) Zone de transition, granulométrie maximale du matériau 150 mm 5) Rip-rap 6) Fondation en blocaille naturelle 7) Fondation sur terrain en place 8)
Voile d’étanchéité.
1.2.2.1.2. Enrochements en vrac : Ils sont simplement déversés depuis des wagons circulant sur une voie, ou depuis des camions. Pour accélérer le tassement, nous arrosons le
remblai ainsi formé avec de l’eau sous pression (7
kg/cm2) ; l’eau enlève les poussières restées collées aux enrochements ou produites par les chocs au moment de la mise en place, la pression produit un certain compactage, et entraîne les plus petits enrochements dans les intervalles des plus gros. 9
La consommation d’eau est élevée, plusieurs fois le volume d’enrochements, mais cette technique est essentielle pour diminuer les tassements à des valeurs de l’ordre de 1%. La grosseur des blocs doit être la plus grande possible compte tenu du matériel de transport dont nous disposons, ceci pour une question économique : qui va de quelques centaines de litres à plusieurs mètres cubes. Il est recommandé de prévoir la construction du massif par étages successif s,
d’une dizaine de
mètres de hauteur par exemple, pour éviter le déversement des enrochements sur une grande hau-
teur qui d’une part provoque une certaine ségrégation et d’autre part provoque dans le massif des tassements irréguliers. Les chocs des blocs tombant et roulant sur les enrochements déjà en place produisent un certain compactage et sont donc favorables, et constituent comme un essai de qualité pour les blocs :
ceux qui se cassent ainsi auraient fini par casser, mais après la mise en service de l’ ouvrage, ce qui produit alors des tassements différés plus gênants. Cependant, de plus en plus, on compacte les enrochements mis en place en couches de 0,5 à 2 ou
3 m au moyen de rouleaux vibrants, lourds (8t), exactement comme s’il s’agissait d’un massif de terre.
Les tassements résiduels, après mise en eau, se comptent alors en dixièmes d’unités pour cent, et la consommation d’eau est bien plus faible (500 litres/m³ d’enrochement, par exemple). 1.2.2.1.3. Enrochements arrimés : Nous réalisons ainsi, soit
l’ensemble du massif pour réduire les fruits des parements, soit surtout
les parements seulement sur quelques mètres d’épaisseur. Si les blocs sont trop lourds, ils sont mis en place à la grue, les intervalles étant bouchés par de petits enrochements mis en place à la main.
1.2.2.2. Barrages en terre 1.2.2.2.1. Introduction Les barrages en terre peuvent être constitués par des matériaux de caractéristiques divers, à la différence des barrages en béton ou même en enrochement dont les matériaux constitutifs restent contenus dans des fourchettes beaucoup plus étroites. Tout ingénieur étudiant et projetant un barrage doit adopter la solution la plus économique résolvant le problème posé. Une solution, et parfois même la seule solution, est la construction de la digue à partir de matériaux se trouvant dans le site du barrage projeté. 10
D’une manière générale si l’on dispose sur place et en quantité suffisante de matériaux terreux permettant d’obtenir après compactage des conditions d’étanchéité et de stabilité satisfaisantes. Ainsi le type de barrage le plus facile à réaliser est le barrage homogène. Les ouvrages en terre ont atteint de nos jours d'énormes proportions. Le plus imposant d'entre eux est le barrage d'Oroville aux U.S.A de 235 m de hauteur qui a nécessité la mise en place de 61 millions de m3 de matériaux. Le plus volumineux ouvrage du monde est le barrage de New Cornella Tailigs aux U.S.A qui atteint 209,5 millions de m3 pour 30 m de hauteur. En France, l'ouvrage de ce type le plus important est celui de Serre Poncon, haut de 129 m sur fondations et d'un volume de 14 millions de m3. En Russie, le barrage de Rogun est le record mondial de hauteur devant le barrage de Nurek, avec une hauteur de 335 m au lie u de 300 m.
1.2.2.2.2. Définition Le terme "Terre" doit être, pour les ingénieurs, pris dans le sens le plus large du mot et sert à désigner toute sorte de matériaux terreux comprenant non seulement les différents sols définis par le pédologue, mais aussi l'ensemble des matériaux provenant de la désagrégation ou de la décomposition des roches.
Les barrages en terre sont des murs de retenue d’eaux suffisamment étanches construits avec la terre et les matériaux du site suivant des mélanges et des proportions bien définies.
1.2.2.2.3. Différents types de barrages en terre Il existe trois schémas principaux de structure de barrage en terre :
Le barrage homogène,
Le barrage à noyau étanche,
Le barrage à masque d’étanchéité.
a. Barrage homogène
Le barrage en terre homogène est constitué d’un massif en terre compactée imperméable, muni d’un dispositif de drains dans sa partie aval et d’une protection mécanique contre l’effet du batillage dans sa partie amont (Figure 1.8).
11
Figure 1. 8 : Barrage homogène
b.Barrage zoné avec un noyau étanche
Souvent l’hétérogénéité des matériaux disponibles sur place ou leurs caractéristiques géotechniques ne permettent pas d’envisager une digue homogène étanche (figure I.9). Dans ce cas, une solution couramment adoptée consiste à concevoir un massif en plusieurs
zones, dont chacune est constituée d’un matériau différent suivant le rôle que doit jouer chaque zone.
La fonction d’étanchéité est assurée par un noyau étanche réalisé en matériau argileux qui pourra être placé en amont du barrage ou au centre de celui-ci. Les barrages zonés, comme le barrage de Serre-Ponçon (Hautes Alpes h=24 m), sont des barrages en remblai constitués de plusieurs types des matériaux disposées de façon à assurer sépa-
rément les fonctions de stabilité du barrage et l’étanchéit é. Le découpage du corps du barrage en matériaux différents est appelé zonage. Il permet de faire
de grandes économies dans les volumes mis en œuvre et d’utiliser au mieux les matériaux disponibles sur le site. Le noyau imperméable est constitué de terres
argileuses, d’argile, de terres cail-
louteuses ou tout autre matériau terreux comportant une forte proportion de matériaux fins lui
peut avoir recours à des matériaux de substitution tels qu’une paroi moulée ou bien une superposition de couche de béton bitu mineux ou d’asphalte. Les zones encadrant le noyau imperméable sont en tout venant compacté, elles assurent la résistance et la stabilité du barrage, en particulier pour le talus amont en cas de vidange rapide.
12
Figure 1. 9 : Barrage zoné avec un noyau étanche
c. Barrage à masque amont
Les barrages à masque sont constitués d’un remblai plus ou moins perméable assurant la stabilité d'ensemble. Un écran imperméable, appelé masque, est mis en place sur le parement amont de façon à rendre le barrage étanche et lui permettre de retenir l'eau du réservoir (fi 1.10).
Le masque qui constitue l’organe d’étanchéité amont est classiquement réalisé en béton, avec des produits bitumineux ou encore au moyen d’une géomembrane. Son épaisseur est limitée, ce qui lui permet de s'adapter aux déformations faibles mais inévitables du massif support (les géomembranes peuvent même accepter des déformations importantes). La présence du masque en parement amont présente le double avantage de permettre des réparations en cas de dégradation du masque, mais aussi d'autoriser des vidanges de retenue très rapides. Le corps du barrage assurant la stabilité peut être en matériau quelconque pour autant qu'il soit peu déformable. De nombreux barrages à masque sont réalisés en enrochements. La qualité du compactage lors
de la mise en œuvre du matériau a une grande influence sur les déformations et tassements ultérieurs. Pour améliorer la sécurité du barrage, il n'est pas rare de trouver dans les barrages à masque d'autres matériaux fonctionnels. - Un matériau de réglage ou de transition servant de support à l'étanchéité mince et la mettant à l'abri de tout poinçonnement par des éléments grossiers du massif support ; - Une cheminée drainant, un tapis drainant ou les deux pour évacuer les infiltrations éventuelles à travers le masque ;
13
- Des matériaux de protection soit du parement aval (terre végétale engazonnée, enrochements, maçonnerie de pierres sèches, soit du masque d'étanchéité comme des dalles de protection ou des pavés autobloquants mettant l'étanchéité mince à l'abri des agressions extérieures telles que la glace, les projectiles ou les chutes de blocs.
Figure 1. 10 : Barrage à masque étanche
La réalisation d’un noyau étanche peut présenter des difficultés telles que le manque de matériaux convenables et la difficulté de mise en œuvre. Nous devrons comparer alors cette technique à celle d’une digue homogène à masque amont étanche. Le masque amont (Figure 1.11) est une paroi étanche plaquée sur le talus amont du barrage. Il existe de nombreuses natures de masque étanche telles que le béton de ciment ou le béton bitumineux, les chapes préfabriquées, les membranes souples.
Le masque amont présente l’avantage de pouvoir être exécuté après l’édification du remblai et de pouvoir être réparé aisément.
Figure 1. 11 : Barrage à masque amont 14
1.3.Avantages et inconvénients de divers type de barrage 1.3.1.Barrage poids a) Avantages -
Faibles contraintes dans le béton.
-
Faibles contraintes transmises par la fondation au rocher.
-
Les variations de températures ne produisent que de faibles variations de contraintes.
-
L'évacuateur de crue peut facilement combiner avec le barrage (diriger les crues directement par dessous).
-
Le gradient des sous-pressions à travers la fondation est faible.
-
Les points délicats sont : la résistance mécanique et l’étanchéité.
b) Inconvénients -
Les sous-pressions sont importantes dans la fondation.
-
Moyen risque de tassement.
-
Le volume du béton est important (pour le barrage-poids évidé, il est plus faible).
-
Le volume d’excavation de la fouille est important.
-
Fragilité au séisme (si les joints entre les blocs ne sont pas faits par injections).
-
L'échauffement du béton par la prise du ciment est assez problématique.
1.3.2.Barrage à contrefort a) Avantages -
Les contraintes transmises par la fondation au rocher sont moyennes.
-
Les sous-pressions au niveau de la fondation sont faibles.
-
Le volume du béton est faible.
-
L’échauffement du béton est faible.
-
Les risques de tassements sont moyens.
b) Inconvénients -
Très susceptible au séisme. La résistance à l'accélération latérale est presque inexistante.
-
La fouille est importante.
-
Le gradient des sous-pressions au niveau de la fondation est localement très élevé.
-
Les contraintes dues au gradient de température peuvent devenir importantes à la tête du contrefort.
1.3.3.Barrage à voûte multiple 15
a) Avantages -
Le volume du béton est faible.
-
La fouille est assez petite.
-
Les sous-pressions au niveau de la fondation sont faibles.
-
L'échauffement du béton est très faible pendant la construction.
b) Inconvénients : -
Les contraintes sont importantes dans les voûtes.
-
Grand risque de tassements. Les contraintes de température peuvent être très grandes.
-
Très susceptible au séisme.
-
La combinaison du barrage avec l'évacuateur de crue est difficile.
-
Les sous-pressions dans les fissures du rocher peuvent provoquer des glissements
d’appuis. -
La structure est très vulnérable (attentats, guerre).
1.3.4.Barrage à voûte a) Avantages -
Le volume du béton est faible.
-
La fouille est assez petite.
-
La résistance au séisme est haute.
-
Les sous-pressions au niveau de la fondation sont faibles (la surface de la fondation est petite).
b) Inconvénients : -
Les contraintes sont importantes dans le béton et dans le rocher.
-
Les forces sont transmises obliquement dans les appuis.
-
Moyen risque de tassements.
-
L'échauffement du béton par la prise du ciment est à considérer.
-
L'intégration de l’évacuateur de crues (grands débits) dans le barrage est difficile.
-
Le gradient des sous-pressions au niveau de la fondation est très grand.
-
Les sous-pressions dans les fissures du rocher peuvent provoquer des glissements
d’appuis. 1.3.5.Digue en terre /Enrochement à noyau a) Avantages 16
-
Le corps du barrage est très flexible et adaptable aux conditions du terrain.
-
Peu susceptible aux tassements et aux séismes.
-
Petite à moyenne fouille. La digue n'est pas forcement fondé sur un rocher sain.
-
La compression du sol est faible.
-
Le gradient des sous-pressions au niveau de la fondation ou du noyau est faible.
b) Inconvénients : -
Mise en place de grands volumes de matériaux.
-
Le remblai du noyau en argile est influencé par les conditions atmosphériques (climat pluie).
-
L’inconvénient majeur est les infiltrations à travers le massif.
1.3.6.Digue à masque amont (béton ou béton bitumineux) a) Avantage : -
Le corps du barrage est très flexible et adaptable aux conditions du terrain.
-
Les tassements limités sont tolérables.
-
Pas très susceptible au séisme. Au-dessous du masque, un système de drainage performant est nécessaire à cause de la fissuration.
-
Le volume des déblais est moyen.
-
Le masque doit être connecté au rocher (directement ou par une parafouille).
-
La compression du sol est faible.
-
La présence du masque en parement amont présente le double avantage de permettre des réparations en cas de dégradation du masque, aussi d'autoriser des vidanges de retenue très rapides.
-
Le masque amont présente l’avantage de pouvoir être exécuté après l’édification du rem blai et de pouvoir être réparé aisément.
-
Diminué les infiltrations à travers le massif.
b) Inconvénients : -
Mise en place de grands volumes de matériaux.
-
Le gradient est très élevé près de la connexion entre le masque et le rocher (plinthe).
17
Chapitre deuxième
DIMENSIONNEMENT ET ANALYSE DE LA STABILITE D’UN BARRAGE EN TERRE 2.1.Etude de dimensionnement d'un barrage en terre 2.1.1. Etude topographique
Elle va permettre d’établir des documents (plans, cartes et profils) relatifs à la retenue et au site du barrage. Les dits documents permettront de se prononcer sur l’aptitude topographique d u site et de positionner l’axe du barrage et ses ouvrages annexes. En outre ils serviront à estimer la capacité de la retenue et sa surface et de fournir aux géologues les fonds de plan pour les études géologiques. Les documents sus cités sont généralement établis aux échelles 1/2000 ou 1/500
pour l’axe de la digue et 1/50000 ou 1/25000 pour la cuvette. Les données topographiques nécessaires concernent : le bassin versant, l’amont et l’aval du barrage, les zones d’emprunt, le site du barrage. La notion d’un bassin versant indique que toutes les eaux s’écoulent vers un même point appelé exutoire du bassin versant, ou bien toutes les eaux (pluie, neige,…etc.) chutées et écoulées pour alimenter le même exutoire du bassin versant.
Figure 2.1 : Schéma d’un bassin versant
L’étude topographique de la vallée de la rivière peut atteindre à l’aval du barrage quelques kilomètres, pour étudier les conditions d’écoulements de crue et son influence sur les villes près du barrage donc il faut déterminer la forme et la section de la vallée et le cours d’eau.
18
2.1.2. Études géologiques et géotechnique
Les études géologiques et géotechniques d’un site de barrage permettront de valider ou de r éfuter le choix d’un site. Ces études concernent essenti ellement la stabilité mécanique ; l’étanchéité des appuis et des fondations ; l’étanchéité de la cuvette de la retenue et la stabilité de ses versants. En effet les études géologiques et géotechniques permettent d’arrêter les fonds de fouilles pour les dif férentes
variantes envisageables sur le site et par conséquent les volumes d’excavation ; ceci,
afin de procéder à une comparaison économique des variantes. Les études géotechniques permettent de fixer les hypothèses sur les paramètres qui seront pris en compte dans les calculs de stabilité et par conséquent conditionnent étroitement la conception de
l’ouvrage. Cette partie de l’étude est capitale pour la suite du projet puisque c’est au cours de cette phase qu’on arrête l’emplacement de l’axe de la digue et le type de barrage à construire. A l’issu de ces différentes études, commence le dimensionnement de l’ouvrage en question. 2.1.3. Évaluation des besoins Les barrages sont construits pour satisfaire des demandes diverses et bien définies. De ce fait, les besoins en eau potable, les sollicitations agricoles et pastorales doivent être évalués avec soin, sachant que les paramètres utilisés ne sont pas toujours aisés à obtenir, surtout en milieu rural. En plus, il faut prendre en considération les diverses p ertes d’eau (infiltration, évaporation) et les
pertes de la capacité de la cuvette causées par l’envasement. Pour l’estimation des besoins en eau on peut utiliser les données suivantes : Les besoins journaliers moyens en eau pour l’homme sont de 150 l en m ilieu urbain, et de 20 à 40 l en milieu rural. Les besoins agricoles sont estimés en fonctions des différentes spéculations et de la surface à irriguer, on
évalue les paramètres tels que les besoins en eau des cultures, l’évapotranspiration
potentielle et l’infiltration.
Les besoins pastoraux sont d’environ 20 l/tête pour les ovins et caprins et de 30 à 50 l/tête pour les bovins.
2.1.4. Étude hydrologique
Ces études permettent d’évaluer les apports moyens annuels, d’arrêter le choix de la crue de pro jet qui
conditionne le dimensionnement de l’évacuateur de crue, et de fixer la crue de chantier
qui conditionne le dimensionnement des batardeaux. On évalue aussi les pertes au barrage et les
différentes caractéristiques de l’ouvrage.
19
2.2.Dimensionnement d’un barrage en terre
Pour l’élaboration d’un barrage en terre, on doit respecter les mesures suivantes : -
le massif doit être protégé contre l’envasement ;
-
les contraintes doivent être minimisées sur les fondations et sur les terrains des rives ;
-
les pentes des talus amont et aval doivent assurer la stabilité ;
-
la ligne de saturation doit se trouver ultérieurement à l’intérieur du massif ;
-
le terrain d’assise ne doit avoir aucun passage préférentiel, permettent aux eaux de cheminer de l’amont à l’aval ;
-
la face amont doit être protégée contre l’action des vagues et des corps flottants ;
-
le massif doit être garanti contre le débordement dû aux vagues ;
-
le talus du massif doit être stable pendant la construction et pour toutes les conditions du fonctionnement du barrage.
Les barrages en terre, en général, ont une forme de trapèze et ils comprennent les trois parties suivantes : a) Corps du barrage b) Dispositifs de protection contre les infiltrations c) Drainage
2.2.1. Définition du profil général des barrages en terre Le type de barrage en terre envisagé étant choisi selon les conditions locales du site et
l’importance de l’ouvrage. L’étape suivante des études consiste à définir le profil général du barrage. a- Hauteur du barrage : La hauteur totale du barrage sera égale à la hauteur normale de la retenue des eaux majorée de la charge maximale au – dessus du seuil du réservoir de crues et de la revanche (Figure 2.2)
Figure 2.2 : Schéma de répartition des tranches dans la retenue
Niveau normal de retenue : 20
La hauteur de retenue est calculée compte tenue de la capacité utile à stoker, de la tranche morte, éventuellement prévue en fond de retenue pour emmagasiner les dépôts, et de la tranche corres pondant aux pertes par évaporation et par infiltration.
Niveau des plus hautes eaux : La charge maximale au-dessus
du réservoir de crue dépend des caractéristiques de l’évacuateur
de crues définies en fonction de l’hydrologie du bassin versant et du laminage des crues de la retenue.
Elle est déterminée par l’étude de l’évacuateur de crues. On appelle niveau des plus
hautes eaux le niveau normal de retenue majoré de la charge sur le déversoir de crue.
b- Revanche :
C’est une épaisseur qui assurer la sécurité du barrage, d’après J. DUNGLAS on a cette formule :
= 0.75ℎ 2 Avec : h : hauteur des vagues.
V : vitesse des vagues d’après R.ROLLEY on a :
V=1.52h
g : accélération gravitationnelle.
c- Largeur en crête du barrage : La largeur en crête L est en général
déterminée par l’une des formules suivantes où H est la hau-
teur du remblai en mètres : L = 1/3 H L = 1,65 H1/2 L = 3,6 H1/3 – 3 Avec L = 3 m comme valeur minimale, afin de permettre la circulation des engins. Le compactage des dernières couches peut nécessiter une largeur supérieure.
La largeur en crête dépend aussi de l’utilisation de cette dernière (chemin, route). Pour les barrages zonés, elle dépend également du nombre de zones au niveau de la crête. Les largeurs minimales suivantes sont proposées :
Tableau 2.1 : Valeurs de la largeur minimale en crête H2√V
˂ 100
entre 100 et 300
˃ 300
L minimum
3m
4m
5m
d- Pentes des talus : 21
La largeur à la base d’un barrage en terre est déterminée par la pente des talus des parements. Les valeurs des pentes habituelles sont comprises entre 1/3 et 1/1,5, ce qui donne à ces ouvrages des épaisseurs à la base très importantes (par exemple, 600 m pour 100 m de hauteur). La pente
des talus est souvent plus faible à la base de l’ouvrage. Pour le barrage de remblayage hydraulique, la pente des talus peut été comme suit (tableau 2.2)
Tableau 2.2 : Valeurs de pente de talus pour barrage de remblayage hydraulique Barrage Barrage hétérogène en gravier terre avec noyau Barrage homogène
Si le sol de la
Sol de la fondation
La pente des talus amont et aval
Rocheuse, argile solide
3-4
Sableuse, argile-sableuse
4-5
fondation n’est pas moins solide que le sol du corps du barrage, la pente des talus
du barrage de remblai peut-être pris comme suit (tab 2.3)
Tableau 2.3 : Ordre de grandeurs de la hauteur du barrage et la pente du talus Hauteur du barrage (m) Inférieur à 5 m
5 à 10 m
Type du barrage
Amont
Aval
1/2.5
1/2
-à zones
1/2
½
- homogène, granularité étendue.
1/2
1/2
1/2.5
1/2.5
1/2
1/2.5
1/2.5
1/2.5
- homogène, à fort pourcentage d’argile.
1/3
1/2.5
- à zones.
1/2
1/3
- homogène, granularité étendue.
1/2.5
1/2.5
- homogène, à fort pourcentage d’argile.
1/2.5
1/2.5
1/2
1/3
-Homogène.
- homogène, à fort pourcentage d’argile. - à zones. 10 à 20 m
Supérieur à 20 m
Pentes des talus
- homogène, granularité étendue.
- à zones.
2.2.2. Protection des talus 22
Les talus d'un barrage en terre sont sujets à l'érosion due au ruissellement des eaux de pluies, à l'action mécanique des vagues, pour le parement amont et, à l'érosion interne provoqués par le ressuyage des eaux de saturation du barrage. Il y a donc lieu de prévoir une protection des tal us.
2.2.2.1. Protection du talus aval Le talus aval peut être protégé efficacement contre le ravinement provoqué par les eaux de ruissellement par un enherbement qui doit être réalisé immédiatement à l'achèvement des travaux. Pour cela, il faut avoir soin de recouvrir le parement d'une couche végétale de 5 à 10 cm. Les espèces herbacées doivent être sélectionnées selon leur aptitude à supporter le climat local, avec une préférence pour les espèces rampantes couvrant mieux le talus toute plantation d'arbustes et, a fortiori, d'arbre est à proscrire. On recommande en outre, de prévoir une risberme à mi- talus pour les barrages de hauteur supérieure ou égale à 15 m, ceci dans le but de casser l'énergie des eaux de ruissellement. Un fossé sur la risberme permettra alors d'évacuer ces eaux.
2.2.2.2. Protection du talus amont Le talus amont est en général protégé contre le batillage par un enrochement, un revêtement perméable (béton bitumineux ouvert, dallettes de béton préfabriqués etc...) qui repose sur un filtre, ou un traitement au ciment. Cette protection est destinée à éviter que les matériaux terreux qui constituent le barrage ne soient érodés par les vagues qui se forment notamment dans la partie supérieure de la retenue sous l'action des vents. Il est de plus nécessaire, d'interposer une couche de transition graveleuse (épaisseur de l'ordre de 20 cm pour une granulométrie 0/100 mm) afin de parachever la dissipation de l'énergie des vagues à travers les interstices des blocs et éviter le pompage par celles-ci des matériaux fins du remblai entre les enrochements. Dans le cas d'une protection en enrochement, l'épaisseur de l'enrochement varie de 0.3 à 1 m et les éléments de cet enrochement doivent être tels que 50% des pierres aient un diamètre supérieur à 20 cm, les éléments les plus petits n'ayant pas un diamètre inférieur à 10 cm.
2.2.2. Drains et filtres dans un barrage en terre 23
a- Rôle des drains et filtres : Du fait de la charge
hydraulique à l’amont du barrage, l’eau s’infiltre progressivement dans le
massif même du barrage et dans ses fondations, bien que le choix des matériaux de construction
et de l’implantation de l’ouvrage aient été fait de manière à limiter les débits d’inf iltration. Un drain est un organe qui évacue les eaux prévenant d’une infiltration à travers un massif ou d’un ressuyage. Un filtre est un organe destiné à bloquer la migration des particules fines éventuellement entrai-
nées par la circulation de l’eau dan s un massif. Filtre et drain sont le plus souvent associés, le filtre pouvant jouer lui-même le rôle de drain, surtout dans les petits ouvrages.
b- Constitution des drains et filtres :
Les drains sont constituées, soit de graviers perméables, soit d’élémen ts de tuyaux en béton poreux ou en plastique perforé également entourés d’une couche de graviers. Les filtres sont constitués des couches successives des matériaux perméables, de granulométries de plus en plus fines assurant la transition entre le drain et les éléments fins des terres drainées. Dans un filtre, chaque couche doit jouer le rôle de filtre vis-à-vis de la précédente dans le sens de
l’écoulement de l’eau. c- Type des drains et filtres dans un barrage en terre : 1) drain prisme : il est utilisé dans le cas, ou la quantité des enrochements est suffisante pour la construction et dans la période de construction le drain-prisme est utilisé en qualité des batar-
deaux la crête du drain soit être supérieure au niveau d’eau en aval. Le drain-prisme est utilisé le plus souvent pour raisons : -
structure est simple
-
augmentation de la stabilité du parement aval
2) drain tapies superficiel : il est utilisé dans le cas, ou la quantité des enrochements n’est pas suffisante et il est nécessaire seulement pour la protection du talus aval, non pas pour
l’abaissement de la ligne de saturation. 3) drain tuyau il est utilisé seulement dans le cas de l’absence de l’eau dans l’aval .Pour évacuer l’eau d’infiltration vers l’aval on établit des tuyaux d’évacuation de l’eau avec un écartement de 50m ; ce type de drain abaisse bien la ligne de saturation et la pression de filtration dans la fondation.
4) drain tapies internes : il est utilisé dans le cas de l’absence de l’eau en aval .Pour évacuer l’eau du drain vers l’aval on établit aussi les tuyaux avec un écartement de 50 m, il est permet -
d’abaisser bien la ligne de saturation 24
-
évacuer bien l’eau de filtration à travers le barrage et sa fondation
5) drain combiné : il a des avantage de tous les deux types de drains examiné s
plus haut, c’est
pourquoi, s’il y a une quantité suffisante de matériaux on établit souvent des drains combinés. 2.3.Ouvrages annexes 2.3.1. Evacuateur de crues : Les ouvrages annexes des barrages en matériaux meubles sont pratiquement toujours disposés en dehors de l'entreprise de ceux-ci. Le choix sur le type, forme et positionnement est guidé par les critères de stabilité visant à assurer la sécurité, la durabilité, le bon fonctionnement hydraulique
de l’ouvrage. L'évacuateur de crues est souvent constitué par : -
un déversoir par où s’effectue le laminage de la crue ;
-
un canal qui est soit à air libre (ou chenal d’évacuation), soit sous pression par où s’écoule le débit laminé ;
-
un bassin de dissipation qui va permettre la dissipation de l’énergie érosive de l’eau.
Figure 2.3 : Evacuateur de crue.
25
Très souvent, les matériaux extraits pour réaliser cet organe sont utilisés dans le corps du barrage. Un aspect fondamental du problème de l'évacuation des crues réside dans le risque mortel que courrait le barrage en cas de déversement. Un massif de terre ou d'enrochement ne peut pas résister à l'érosion superficielle et, en peu de temps, le barrage serait entièrement détruit. C'est avec ce type d'ouvrage que l'on doit prendre les marges de sécurité les plus confortables dans l'évaluation de la plus grosse crue convenable. De plus, pendant l'exécution des travaux, des dis positions doivent être soigneusement étudiées pour qu'une crue intempestive ne provoque pas une catastrophe avant que l'ouvrage ait atteint le niveau où les eaux pourront être entonnées dans le canal d'évacuation des crues. C'est l'étude de chaque cas particulier qui peut donner une solution concrète.
2.3.2. Ouvrages de prise et de vidange De manière à pouvoir suivre, entretenir et exploiter correctement un barrage, on lui adjoint en général un ouvrage de vidange et de prise.
2.3.2.1. Vidange de fond Son rôle principal est de permettre une vidange totale ou partielle de la retenue en cas d'accident susceptible d'endommager
gravement la digue. L'ouvrage d’évacuation est nécessaire pour ex-
traire l’eau du réservoir en continue. Il permet d'abaisser le plan d'eau en cas de besoin ou de vider complètement la retenue. Il doit pouvoir vider la retenue en 8 ou 10 jours en cas de danger,
lors de contrôle, de l’entretien ou de la réparation du barrage. La vidange de fond sert également à évacuer les sédiments qui se déposent dans la retenue. On utilise en général une conduite qui peut être soit un tuyau de gros diamètre, soit une canalisation en béton de type galerie. L'écoulement dans la conduite doit être aéré dès l'aval de la vanne amont par un reniflard, afin d'éviter des phénomènes de battements ou des vibrations sous l'effet du passage en écoulement instable à fort débit.
2.3.2.2. Prise d’eau Les petits barrages en terre, et particulièrement ceux destinés à une utilisation agricole, disposent d'un ouvrage de prise. C'est à partir d'elle que l'eau accumulée va pouvoir atteindre, par une conduite, une galerie ou un canal, le but qui lui est assigné. Elle est généralement placée à un niveau
permettant de pouvoir capter l'eau d’une qualité acceptable surtout dans le cas d’une alimentation en eau. Elle comprend un dispositif de prise à l'amont, une conduite enterrée ou posée sous la digue et un ouvrage de raccordement au réseau d'irrigation à l'aval. La conduite peut-être en béton armée ou en acier et est pourvue de vannes permettant de réguler le débit.
26
2.4.Etude de stabilité d’un barrage en terre 2.4.1. Approches de calculs La stabilité des barrages en terre est étudiée au moyen des méthodes utilisées plus généralement
pour l’étude des pentes en mécanique des sols ; les plus courantes sont celles de Fellenius, Bishop, Spencer, Janbu, la méthode dite des coins, ou encore celle dite des perturbations en faveur en France. Toutes sont
des méthodes d’équilibre de forces, dans lesquelles les forces déstabilisa-
trices (poids, pressions interstitielles) doivent être compensées par des forces résistantes, avec des marges de sécurité conventionnellement choisies. Un facteur qui influe très fortement sur la
stabilité est la pression interstitielle qui peut s’installer de façon durable dans le remblai : - en raison des écoulements permanents à travers le remblai ; - en conséquence des variations de contraintes, résultant de la
construction, d’une vidange ra-
pide, ou bien de séismes. Lorsque le remblai est construit sur une fondation meuble, celle-ci doit être incluse dans
l’analyse de stabilité. Plusieurs configurations doivent être analysées : -
état normal en service , retenue pleine : le poids du remblai et la poussée de la retenue sont
considérés ; le champ de pression interstitielle est calculé par un réseau d’écoulement à travers le barrage (et sa fondation) en tenant compte des diverses perméabilités ;
Figure 2.4 : Barrage plein
-
fin de construction : pas encore d’action de la retenue, mais les pressions interstitielles sont
élevées car les surpressions dues à la construction ne sont pas encore dissipées ; cas souvent dimensionnant pour le talus aval ;
27
- fin de vidange rapide : après une baisse brusque de la retenue, les pressions interstitielles induites par la retenue ne se sont pas
encore dissipées et déstabilisent le remblai vers l’amont ; ce
cas est souvent dimensionnant pour le talus amont ;
-
état normal en service pendant un séisme : s’ajoutent aux effets précédents les forces d’inertie
horizontales du remblai et la surpression dynamique de la retenue, pour une accélération égale à
50 % de l’accélération prévue au niveau du rocher. Les analyses les plus fiables sont effectuées en contraintes effectives, c’est -à-dire en prenant comme caractéristiques de résistance des sols les propriétés intrinsèques obtenues avec des essais drainés. Elles nécessitent de faire des hypothèses sur les pressions interstitielles, à partir des es-
sais de laboratoire et de l’analyse des précédents ; c’est la raison pour laquelle les remblais sont équipés de cellules piézométriques, grâce auxquelles la pression interstitielle est mesurée pen-
dant la construction et l’exploitation du En complément des analyses de stabilité fondées sur l’équilibre des forces, les méthodes d’analyse numérique par éléments finis permettent de calculer les déformations des remblais sous diverses sollicitations, en tenant compte directement de la rhéologie des sols,
de l’effet des
pressions interstitielles, de la saturation partielle, de la consolidation après construction, etc. Plus
complexes de mise en œuvre et plus exigeantes en matière d’essais sur les matériaux, elles peuvent prédire les variations de pression interstitielle, permettent de détecter les risques de fracturation hydraulique du noyau, risque survenant lorsque la pression interstitielle excède la contrainte totale mineure.
2.4.2. Coefficient de sécurité
Pour juger si un talus naturel ou artificiel est stable ou non il est nécessaire d’introduire la notion du coefficient de sécurité qui est une grandeur adimensionnelle. Le coefficient de sécurité (FS) est par définition donné par l’expression suivante :
F =
∑ Moments résistants ∑ Moments moteurs
À titre d’exemple, les coefficients de sécurité couramment admis avec la méthode de Fellenius sont respectivement : - 1,5 pour les conditions normales de service ; - 1,3 pour la fin de construction et la vidange rapide ; - 1,0 pour le séisme maximal probable (récurrence 10 000 ans) étudié avec la méthode pseudo statique. 28
2.5.Tassements Dans les barrages en terre on a deux types du tassement, tassement du corps de la digue et tassement de la fondation, on peut négliger le premier pour les petits barrages où la hauteur oins de 20 à 30 m et où la digue est bien compactée, le deuxième varie en fonction de la nature de terrain (les couches au-dessous de la digue voir la figure 2.6) et ses caractérist iques
qu’on peut les dé-
terminer à l’aide de la courbe de l’essai œnométrique et de cette formule :
∆H =
∆σ v +∆σ′z ∆ Cc H + ∆ H = H + log σ p
Où :
ΔH : tassement. H0 : épaisseur initiale de la couche compressible. Cc : indice de compression. e0 : indice des vides initial.
Δσ’ p : pression de pré-consolidation. Δσ’z : contraintes dues aux surcharges. Δσ’v0 : contrainte effective verticale naturelle. Pour les petits barrages qui ne dépassent pas la hauteur de 20 m, on peut prendre le tassement entre 0,5-1,5 % de la hauteur totale du barrage, ou bien par cette formule :
Avec : H b : la hauteur du barrage
= 0.01
Figure 2.5 : Tassement des fondations
29
Troisième Chapitre
OUTILS NUMERIQUES DE CALCUL 3.1.Introduction Le calcul des ouvrages géotechniques (fondations, pentes et talus, etc.) a longtemps été abordé au point de vue de la stabilité (calcul à la rupture), c'est-à-dire selon une approche dans laquelle le comportement du sol est supposé rigide-plastique (plasticité parfaite : critère de MohrCoulomb). Cette approche, validée par son application quotidienne au calcul de stabilité des
pentes, a besoin d’être améliorée par la prise en compte des déformations avant la rupture et des non-linéarités des déformations des sols (élasticité non-linéaire, élasto-plasticité). Le développement des méthodes de calcul numérique sur ordinateur (méthode des différences finies et méthode des éléments finies) a permis de chercher des solutions beaucoup plus réalistes et générales,
fondées sur un certain nombre de modèles rhéologiques et d’algorithmes de
résolution des divers aspects du comportement des sols. Ces modèles, reposant sur des approches élastiques non-linéaires ou sur des approches élasto-plastiques, permettent de décrire assez correctement le comportement des sols. Quant aux algorithmes de résolution, leur fiabilité et leur performance dépendent surtout de la méthode de calcul utilisée et des critères de convergence fixés. Les deux logiciels de calcul utilisés dans cette étude et présentés ci-après sont fondés sur ces principes et sont connus pour avoir donné par ailleurs des résultats satisfaisants. Leur choix a été
motivé par leur disponibilité et leur souplesse, ainsi que par leur performance du fait qu’ils se prêtent
bien aux objectifs fixés pour l’analyse de la stabilité des pentes sous sollicitations
statiques (poids propre et surcharges) ou dynamique (séismes, machines).
3.2.Logiciel TALREN Le logiciel TALREN a été développé en France par la société TERRASOL. Il est dédié à
l’analyse de la stabilité des pentes avec ou sans renforcement. Il permet d'étudier :
• les pentes naturelles ; • les talus artificiels (déblais et remblais) ; • les digues en terre. En prenant en compte différents types de renforcements :
tirants précontraints ; 30
clous ; pieux et micropieux ;
géotextiles et géogrilles ;
Terre armée et bandes en polymères ;
butons.
TALREN permet de calculer le coefficient de sécurité au glissement de tout massif en pente
constitué d’une ou de plusieurs couches de sols, avec ou sans présence de nappe et l’action sismique par la méthode des tranches. Les méthodes de calcul implémentées dans ce logiciel sont : - Les méthodes de Fellenius et de Bishop pour les r uptures circulaires, - la méthode des perturbations pour les ruptures quelconques, - les méthodes du calcul à la rupture en spirales logarithmiques. La version 4 du logiciel TALREN utilise une nouvelle interface graphique interactive avec notamment (figure 2.1) :
dessin du profil à la souris, règles et grille, menus contextuels, choix des couleurs des sols ;
possibilité de charger un fond de plan (format .JPG et .GIF) et de l’afficher à l’échelle ;
gestion des phases d’exécution et situations de calcul d’un projet dans un seul fichier ;
tableaux récapitulatifs des données : couches de sol, surcharges et renforcements ;
nombreuses options de visualisation des résultats : graphiques (isovaleurs par exemple) et tableaux (efforts dans les renforcements, résultats détaillés par surface de rupture, etc.) ;
assistants et bases de données (coefficients de pondération/sécurité partiels, choix de
, etc.).
Figure 3.1. : Interface du logiciel TALREN. 31
3.3.Le code Plaxis Le code PLAXIS a été développé
en premier lieu à l’Université Technologique de Delft (Les
Pays Bas), le code, initialement réalisé pour analyser les digues en terre, a vu son champ
d’application se développer largement afin de pouvoir traiter différents ty pes de problèmes géotechniques (fondations, tunnels, ouvrages de soutènement, etc.). PLAXIS permet de réaliser des analyses de déformation
et de stabilité des ouvrages géotechniques. L’interface d’utilisation
de PLAXIS se compose de quatre sous-programmes (Input, Calculations, Output et Curves).
a / Données (Input)
b / Calculs (Calculations)
32
c / Résultats (Output)
Figure 3.2. : Interface du code PLAXIS. PLAXIS représente certainement un optimum actuel sur les plans scientifiques et pratiques en
l’analyse des problèmes élastiques, élasto-plastique, élasto-viscoplastiques en 2D (bidimentionnel) en déformations planes ou 3D (tri-dimensionnel) en déformations axisymétriques.
Scientifiquement, c’est un outil d’analyse, avec prise en compte des pression s interstitielles (et même de consolidation), doté de méthodes de résolution
et d’algorithmes robustes , ainsi que de
procédures de choix automatique évitant des choix délicats à l’opérateur peu averti. Bien que très fiable sur le plan numérique, le code PLAXIS
s’effectue selon un processus itératif permettant de
déterminer à chaque pas de temps de calcul les champs de déplacements, de vitesses et
d’accélérations correspondant aux chargements appliqués ; l’équilibre est gé néralement atteint rapidement. Les modèles de calcul implémentés dans le code PLAXIS couvrent pratiquement
l’ensemble des aspects théoriques et expérimentaux du comportement des sols courants : - élasticité linéaire de Hooke pour simuler le comportement des structures rigides massives placées dans le sol ; plasticité parfaite isotrope de type Mohr-Coulomb pour simuler le comportement de la plus part des sols fins ; - élastoplasticité de type hyperbolique avec écrouissage en cisaillement pour simuler le comportement des sables et des graves, mais aussi de l’argile et des limons ; - élastoplasticité de type Cam-Clay pour simuler le comportement des argiles molles normalement consolidées ; - viscoplasticité pour simuler le comportement des sols mous en fonction du temps (fluage et consolidation).
33
- Aussi se limitera-t-on ci-après à ne décrire que le modèle de Mohr-Coulomb intéressant
l’objet de la présente étude. Ce modèle est utilisé comme une première approximation du comportement des sols. Il comporte cinq paramètres :
le module d’Young E : défini soit par le module tangent initial E 0, soit par le module sécant à
50% de la résistance en compression E 50 (figure 3.3.)
Figure 3.3. : Définition du module d’Young E.
le coefficient de Poisson υ : évalué par l’intermédiaire du coefficient de pression des terres au
repos K 0= υ/ (1- υ) pour un chargement gravitaire, dont les valeurs sont comprises entre 0.3 et 0.4 ;
la cohésion c : nulle (c=0) pour les sables, mais constante non nulle (c≠0) ou évoluant avec la
profondeur pour les argiles ;
l’angle de frottement interne φ : qui conditionne la résistance au cisaillement des sols ;
l’angle de dilatance ψ : nul (ψ=0) pour des sols argileux qui ne montrent aucune dilatance,
mais non nul (ψ≠0) pour les sables dont la dilatance dépend de leur densité et de leur angle de frottement. Pour les sables siliceux, ψ ≈ φ -30.
Ces paramètres peuvent être aisément identifiés sur des résultats d’essais triaxiaux classiques (figure 2.4). 34
Figure 3.4. : Résultats d’essais triaxiaux drainés et modèle élastoplastique type Mohr-C. Pour la prise en compte des interactions squelette - eau interstitielle dans la réponse du sol, le code PLAXIS distingue entre les comportements drainé et non drainé :
pour le comportement drainé, aucune surpression interstitielle n'est générée. C’est évidem-
ment le cas pour des sols secs et pour des sols totalement drainés du fait de leur forte perméabili-
té ou à cause d’un faible accroissement du chargement. Cette option peut aussi être utilisée pour simuler le comportement des sols à long terme (fluage et consolidation) ;
pour le comportement non drainé, les surpressions interstitielles sont complètement générées.
L’écoulement de l’eau interstitielle peut parfois être négligé du fait des faibles perméabilités ou à cause d’une vitesse de chargement élevée. Toutes les couches considérées comme non drainées se comporteront ainsi, même si la couche ou une partie de celle-ci se trouve au-dessus de la nappe phréatique. Dans PLAXIS, une analyse de la sécurité peut être menée en réduisant les caractéristiques mécaniques tan
du sol. Ce procédé s’appelle "Phi -c reduction". Dans cette approche, les caractéristiques
φ et c du sol sont réduites progressivement jusqu’à l’apparition de la rupture. Le coefficient
total appelé coefficient de réduction Σ permet de définir la valeur des caractéristiques du sol à une étape donnée de l’analyse :
Σ =
é é = é é
Où les caractéristiques notées "donnée" se référant aux valeurs initiales des propriétés des ma-
tériaux et les caractéristiques notées “réduit” se rapportent aux valeurs réduites utilisées au cours de l’analyse. Contrairement aux autres coefficients, Σ vaut 1.0 au début d’un calcul 35
pour utiliser les valeurs non réduites des caractéristiques des matériaux. Le facteur de sécurité global est déterminé comme suit :
=
é = (Σ )à é à
Cette approche ressemble à la méthode de calcul de coefficients de sécurité adoptée conventionnellement dans les analyses de rupture circulaire (méthodes des tranches).
36
Quatrième Chapitre
ÉTUDE DE LA STABILITE DU BARRAGE DE SOUBELLA
4.1. Présentation de la digue Soubella
C’est ouvrage constitué d’une digue principale en remblais zonée de 67 m de hauteur maximale, avec un noyau central argileux assurant l’étanchéité du barrage. Le volume global de la digue s’élève approximativement à 1,3 millions de mètres cubes. Le barrage de Soubella est composé par plusieurs ma tériaux à partir leurs granularités, chaque matériau placé dans une zone bien déterminé dans le corps du barrage pour protéger le noyau, la séparation entre les différentes zones se fait par les filtres de transition.
4.2. Localisation de la digue Soubella
Le site du barrage de Soubella est situé sur l’oued du même nom dans la commune de Magra (Wilaya de M’Sila), à environ 60 km à l’est de la ville de M’Sila et à 4 km au nor d de la ville de Magra. Il est approximativement à la même distance au Sud de la ville de Sétif.
Le site du barrage est caractérisé par un verrou topographique très étroit à l’amont d’une zone habitée. Les rives calcaires sont particulièrement abruptes voire subverticales au droit du défilé.
Cette gorge étroite s’ouvre sur une vaste plaine que l’oued Soubella traverse avant de se jeter dans le chott El Hodna.
La route nationale RN28 qui relie Magra à Sétif permet d’accéder facilement au site. Le site est situé à l’amont immédiat du pont permettant à la RN28 de franchir l’oued Soubella, 3 à 4 km au nord de la ville de Magra. Le site du barrage de Soubella a pour coordonnées UTM :
X = 694 499 m Y = 3 952 558 m Z = 725 m (fond de vallée)
37
Figure 4.1 Localisation géographique du barrage de Soubella
4.3. PROBLEMATIQUE
Caractéristiques propres/intrinsèques du barrage à savoir :
La hauteur :
67 m ;
Le type de barrage :
Digue en remblais ;
Le type de fondation :
Rocheuse (dépôts alluviaux, marnes et calcaires) ;
Et la capacité de stockage :
1 385 000 m3
Facteurs externes liés au barrage :
L’âge : en cours de construction ;
la séismicité :
SBE : Mw = 5.7, à l'aplomb du site, et à une profondeur de 10 km, SMD : Mw = 6.2, à l'aplomb du site, et à une profondeur de 10 km.
-
Facteurs de conception : La conception de la digue en remblais résulte directement des conditions naturelles entourant le projet ;
-
adéquation de l'évacuateur de crue ;
-
facteur de sécurité de mouvement de masse.
38
4.4. LES OBJECTIFS A ATTEINDRE PAR CE BARRAGE
L’importance du barrage de Soubella représentée par l’irrigation et l’alimentation des communes proches par l’eau potables : Ain El-Khedra, Belaïba, Berhoum, Dehahna, Ouled Addi Guebala et Ouled Derradj.
4.5. DESCRIPTION DE L’OUVRAGE d.Situation Cours d'eau
Oued Soubella
Ville la plus proche
Magra
Fonction du barrage
Eau potable et Irrigation
Volume régularisé annuellement
3,5 hm3
e. Caractéristiques hydrologiques Aire du bassin versant naturel
178 km2
Précipitations annuelles moyennes
390 mm
Apport annuel moyen
4,0 hm 3
Débit de pointe de la crue de projet
544 m3/s
Volume de la crue de projet
10,5 hm3
f. Caractéristiques principales de la retenue Cote de Retenue Normale
780,00 m NGA
Cote des Plus Hautes Eaux
783,00 m NGA
Aire de la retenue à la cote de RN
91 ha
Capacité totale de la retenue sous RN
17,4 hm3
g. Caractéristiques principales du barrage Type
Digue en remblais
Terrain de fondation
Dépôts alluviaux, marnes et calcaires
Hauteur maximum sur fondation
67 m
Longueur en crête
265 m
Largeur en crête
10 m
Largeur maximale au niveau du terrain naturel
380 m
Fruit moyen du parement amont
3,1 H/1V
Fruit moyen du parement aval
2,7 H/1V
Altitude de la crête du barrage
785,00 m NGA
Altitude de la crête du déversoir
780,00 m NGA 39
Volume total du corps du barrage
1 385 000 m 3
dont :
290 000 m 3
noyaux (y compris batardeau amont) Recharges
920 000 m3
filtres, drains, transitions
130 000 m3
rip-rap et enrochements
45 000 m3
h.Ouvrages annexes
Evacuateur de crues
Type seuil déversant
profilé avec coursier et saut de ski
Emplacement
rive gauche
Longueur du seuil
40 m
Débit maximal évacué
418 m3/s
Vidange de fond
Type
galerie en rive droite
Vannes
1 vanne de garde 1,30m x 1,00m
manœuvrée depuis la chambre supérieure du puits vertical 1 vanne de réglage 1,00mx1, 00m
manœuvrée depuis la chambre Inférieure du puits vertical Débit maximal
28 m3/s sous RN
Ouvrage de prise
Type
3 galeries en rive droite reliées une conduite 1000 mm
Emplacement
rive droite
Vannes
3 vannes papillon ø 1000 m Débit 1,2 m3/s
4.6. CLIMATOLOGIE 4.6.1. Généralités
L’objectif principal de cette partie est l’évaluation des différents paramètres de la climatologie permettant la caractérisation du bassin versant de l’oued Soubella ; Les données météorologiques
ont été relevées grâce à plusieurs postes d’observation dans la wilaya de M'sila. Le site du futur barrage de Soubella est situé dans le bassin méridional du Chott El Hodna. 40
La pluviométrie sur la zone de l’étude est caractérisée par trois mois secs (juin - juillet - août, très marqué en juillet) et un régime bimodal, avec un premier maximum en automne – hiver et
un second maximum au printemps. Compte tenu de l’irrégulari té du climat, les mois les plus pluvieux sont extrêmement variables en intensité et en époque.
La pluviométrie annuelle moyenne est de 289 mm au site du barrage et d’environ 375 mm sur le bassin versant, dont plus de 90% sont enregistrés entre septembre et mai. Les mois de juin à septembre sont les mois les plus chauds avec un pic de chaleur en juillet/août
(26°C). Les mois de décembre, janvier et février sont les plus froids de l’année avec une température moyenne inférieure à 7 °C.
4.6.2. Etudes de l’environnement du barrage a. Température
Les températures moyennes mensuelles au voisinage du projet d’aménagement sont données dans la Table 4.1 et illustrées sur la Figure 4.2.
Figure 4.2 Températures mensuelles moyenne Les mois de juin à septembre sont les mois les plus chauds avec un pic de chaleur en juillet/août
(26°C). Les mois de décembre, janvier et février sont les plus froids de l’année avec une température moyenne inférieure à 7 °C
41
Tableau 4.1 : Températures mensuelles moyennes Moyenne (°C)
S
O
N
D
J
F
M
A
M
J
J
A
An
22
16
10
7
5
7
9
12
18
22
26
26
15
b.Evaporation
L’évaporation moyenne annuelle au site de Soubella est estimée à 1 650 mm, sur la base de la carte de
l’évapotranspiration potentielle de l’ANRH et des mesures réalisées au bac Colorado
dans la région de l’étude. La Figure 4.3 présente la répartition des valeurs mensuelles moyennes d’évaporation sur le plan d’eau du réservoir de Soubella.
Figure 4.3 Evaporation sur plan d’eau - Répartition mensuelle
La Table 4.2 et présente la répartition des valeurs mensuelles moyennes d’évaporation sur le plan d’eau du réservoir de Soubella. Tableau 4.2 : Evaporation sur plan d’eau - Répartition mensuelle Moy. (mm)
S
O
N
D
J
F
M
A
M
J
J
A
An
176
101
50
25
25
38
76
126
202
252
302
277
1650
42
c. Pluviométrie Les données sur la pluviométrie moyenne sont tirées des valeurs observées à la station de Sidi Ouadah sur la période 1973-2004. La pluviométrie moyenne au site du barrage de Soubella est estimée à 289 mm. La répartition mensuelle est présentée dans la Table 4.3 et illustrée (fig. 4.4.).
Tableau 4.3 : Pluviométrie – Répartition Répartition mensuelle Moy
S
O
N
D
J
F
M
A
M
J
J
A
An
(mm)
27.9
30.9
29.1
33.9
30.3
27
29
27.4
32.5
11.8
2.1
7.9
288.5
La répartition mensuelle des précipitations est caractéristique d’un régime bimodal, avec de fortes pluies en automne-hiver et au printemps. Les mois de juillet et août sont les mois les plus secs. La variabilité des précipitations au pas de temps annuel et mensuel est très élevée.
Figure 4.4 Pluviométrie - Répartition mensuelle
43
4.7. Géologie 4.7.1. Renseignements sur la connaissance géologique de la l a région
Le territoire de l’aménagement est couvert d’un levé géologique au 1/50.000 (figure 4.7.). La description stratigraphique et tectonique de la zone du projet est basée sur la carte géologique régionale du barrage établie par la Direction des Mines.
L’étude de la formation des roches (lithologie) et celle de la structure et des soulèvements de l'écorce terrestre (tectonique) influent sur les fondations des ouvrages en projet et un large développement des processus exogènes ont défini la nature des prospections et leurs volumes
Figure 4.5 Carte géologique du site de la l a digue de Soubella
4.7.2. Structure géologique et Sismicité du site du projet La zone de la
cuvette occupe les parties extrêmes occidentales de l’anticlinal de Bou Taleb, ca-
ractérisées ici par le pendage monoclinal SO des sédiments du Jurassique supérieur et du Crétacé inférieur, les couches étant orientées NO-SE. Au droit du barrage les calcaires du Miocène inférieur recouvrent la partie sud de l'anticlinal, formant une unité discordante et transgressive sur les horizons hauteriviens, principalement marneux. On note une nette dysharmonie entre les structures miocènes et celle affectant les assises plus anciennes. 44
Les accélérations maximales horizontales recommandées pour le projet sont : a x
= 0.12 0.125g 5g
Tableau 4.4 : Les valeurs de coefficient d’accélération et le coefficient sismique horizontal Groupe
1A
2B
2
3
Valeur de A
0.25
0.20
0.15
0.10
Valeur de Kh
0.125
0.10
0.075
0.05
Avec : K h : coefficient sismique horizontal A : Valeur du coefficient d’accélération de zone
4.7.3. Caractéristique géologique de l’emprise Les reconnaissances complexes in situ, les essais de laboratoire pour évaluer les propriétés du site du projet.
les levés géologiques au 1:1000 ;
sondages avec carottage ;
creusement des puits ;
essais d’eau ;
sondage (SPT) ;
installation des piézomètres.
Caractéristiques Caractéristiques hydrogéologiques Notons d'abord que le niveau de l'oued au droit de l'axe est proche de la cote 726. Dans l'emprise de la retenue, le gradient du lit de l'oued est d'environ 2%. Le complexe rocheux du site du barrage peut être considéré globalement comme un aquifère
faible. Les circulations souterraines se font le long des fractures où les traces d’écoulement sont visibles (limonite sur les parois des fractures) et de karstification. La karstification, matérialisée par des cavités de dissolution développées le long des diaclases majeures, se manifeste dans l'ensemble de la série calcaire du Miocène inférieur et, en profondeur, dans les couches calcaires du Crétacé inférieur. La position globalement très basse de la nappe est révélatrice d’un massif plus perméable que ne
le laisse supposer les résultats des essais d’eau. Les fractures ainsi que la karstification des calcaires ont tendance à rabaisser ce niveau et à drainer le massif vers l’aval. Dans tous les cas, c'est la nappe qui alimente l'oued. 45
4.8. Caractéristiques géotechnique des matériaux
Outre la géométrie, qui a été définie plus haut, les données d’entrée à l’étude de stabilité statique sont les caractéristiques des matériaux de la fondation et du barrage, qui sont présentées respectivement dans les tableaux 4.5 et 4.6
Tableau 4.5 Caractéristiques de la fondation N° c'
φ'
γh
γs
Ru
B
Fondation marneuse
1
3.0
25.0
2.2
2.2
0.4
1.0
Fondation calcaire
2
500.0
45.0
2.2
2.25
0.0
1.0
Tableau 4.6 : Caractéristiques des matériaux du barrage N°
c'
φ'
γh
γs
ru
B
Surcharge amont
1
1.0
30.0
2.0
2.1
0.25
1.0
Batardeau amont
2
1.0
30.0
2.0
2.1
0.25
1.0
Noyau externe
3
2.5
21.0
1.9
2.0
0.00
1.0
Rip-Rap
4
0.0
45.0
2.0
2.3
0.00
-1.0
Recharge amont
5
1.0
33.0
2.0
2.1
0.25
1.0
Noyau argileux
6
2.5
21.0
1.9
2.0
0.50
1.0
Filtres & drains
7
0.0
40.00
1.9
2.2
0.00
-1.0
Recharge aval
8
1.0
33.0
2.0
2.1
0.25
1.0
Batardeau aval
9
1.0
45.0
2.0
2.1
0.25
1.0
46
4.9. Calcul de la Stabilité 4.9.1. Le profil de la Digue étudiée :
Selon le rapport de L’ANBT le profil du barrage de Soubella est représenté ci -dessous (figure 4.6.).
Figure 4.6 : Section du Barrage de Soubella
La géométrie du profil du barrage de référence étudié est donnée sous forme de coordonnées
cartésiennes des nœuds (tableau 4.7.). Tableau 4.7. : Coordonnées cartésiennes des nœuds du barrage de référence Points Position X Position Y Points Position X Position Y Points Position X Position Y Points Position X Position Y Points Position X Position Y
1 -300.00 737.00 9 -167.65 733.09 17 -41.15 728.34 25 18.46 732.87 33 161.56 729.31
2 -300.00 730.00 10 -163.60 745.54 18 -29.68 728.05 26 31.60 729.58 34 166.56 729.19
3 -300.00 650.00 11 -156.29 732.18 19 -17.94 722.06 27 49.71 720.82 35 180.18 722.66
4 -196.92 733.84 12 -133.08 745.51 20 -7.39 785.00 28 79.23 756.75 36 261.20 648.25
47
5 -187.45 733.46 13 -104.40 755.57 21 -5.00 785.00 29 84.21 756.40 37 299.52 649.72
6 -171.39 725.70 14 -99.40 755.54 22 5.00 785.00 30 133.79 736.14 38 299.77 719.05
7 -169.83 726.98 15 -93.85 755.53 23 6.87 784.29 31 143.78 736.42 39 300.00 713.00
8 -169.03 726.95 16 -92.61 754.67 24 18.15 721.83 32 149.75 724.40
4.9.2. Calcul Préliminaire de la stabilité du Barrage à l’aide du logiciel TALREN Nous avons examiné le calcul de la stabilité du barrage en fin de construction
sous l’effet du
chargement gravitaire par deux méthodes : - Méthodes de calcul à
l’équilibre limite
Méthode des tranches (Fellenius, Bishop) ;
Méthode globale (Perturbations)
- Méthode de calcul à la rupture (surface de rupture de type spiral logarithmique cf. J.Salençon). Après introduction de la géométrie, des caractéristiques des sols (γ, c et φ), du choix de la méthode de calcul on passe au calcul des situations et phases.
Après phasage et calculs la valeur du facteur de sécurité et le cercle de rupture sont directement affichés sur un graphique. Dans ce cas un calcul sous chargement gravitaire seul, le résultat de calcul du facteur de sécurité par la méthode de Fellenius est proche de 2 comme représenté sur la figure 4.7.
Figure 4.7 : Facteur de Sécurité du talus aval sous G, selon la méthode de Fellenius Le même calcul sous chargement gravitaire seul, le résultat de calcul du facteur de sécurité par la méthode des Perturbations est FS=1.68 comme représenté sur la figure 4.8.
48
Figure 4.8 : Facteur de Sécurité du talus aval sous G, selon la méthode des Perturbations
Talren offre la possibilité de faire varier facilement et rapidement la méthode de calcul ou la surface de rupture sur le même modèle, les résultats du calcul de la valeur du facteur de sécurité sont donnés dans le tableau 4.2.
Tableau 4.8. : FS en fin de construction selon différentes méthodes de calcul N°
Méthode
Facteur de sécurité
01
Fellenius
2.00
02
Bishop
1.68
03
Perturbations
1.68
04
Rupture
1.66
Les trois méthodes de calcul (Bishop-Perturbations et calcul à la rupture) donnent presque la même valeur du facteur de sécurité.
49
4.9.3. Calcul de la stabilité à l’aide du code PLAXIS Pour plus de détails et afin de comparer les résultats on reprend les calculs en utilisant le code PLAXIS et en considérant quatre configurations de calculs : -fin de construction ; - en service ; - en service sous séisme ; - vidange rapide et vidange lente.
4.9.3.1. Etude de stabilité du barrage en fin de construction
Pas encore d’action de la retenue, le calcul se fait en trois phases sous chargement gravitaire et les pressions interstitielles non dissipées :
Une phase initiale qui permet la génération des conditions initiales qui sont constituées de deux modes différents, l'un pour générer les pressions interstitielles initiales (mode des conditions hydrauliques) et l'autre pour spécifier la configuration géométrique initiale et générer le champ des contraintes effectives initiales (mode de configuration géométrique).
Une phase de calcul plastique sous chargement gravitaire pour laquelle le multiplicateur total de poids est ( Σ Mweight =1)
Une phase de calcul incrémental « phi-c reduction » qui permet de déterminer le facteur de sécurité.
Après calculs, les résultats sont affichés sous forme numérique ou graphique, Les déplacements totaux coté aval du barrage sont schématisé ci-dessous (figure 4.9.).
Figure 4.9 : Maillage déformé du Barrage en fin de construction
50
Les déplacements totaux coté aval du barrage sont schématisé ci-dessous (figure 4.10.).
Figure 4.10 : Déplacements totaux coté aval du barrage en fin de construction
Le facteur de sécurité vis-à-vis du glissement du talus coté aval du barrage est FS=2.07, comme schématisé ci-dessous (figure 4.11.).
sous G FS=f(U) 2.1 Finde Construction
1.8
1.5
1.2
0.9 0
10
20
30
40
|U| [m]
Figure 4.11 : FS au glissement du talus coté aval du barrage en fin de construction
51
4.9.3.2. Etude de stabilité du barrage à l’état normal en service
La retenue étant pleine, le calcul se fait sous l’ effet du poids du remblai et la poussée de la retenue, le champ de pression
interstitielle est calculé par un réseau d’écoulement à travers le bar-
rage (figure 4.12.) et sa fondation en tenant compte des diverses perméabilités.
Figure 4.12 : Ligne de saturation du Barrage avec retenue pleine. Les déplacements totaux coté aval du barrage sont schématisé ci-dessous (figure 4.13.).
Figure 4.13 : Déplacements totaux coté aval du barrage avec retenue pleine Le facteur de sécurité vis-à-vis du glissement du talus coté aval du barrage est FS=2.04, comme schématisé ci-dessous (figure 4.14.).
Figure 4.14 : Facteur de sécurité au glissement du talus coté aval, retenue pleine 52
Les déplacements verticaux du remblai constituant le corps de la digue sont représentés sur la figure ci-dessous, la valeur maximale est au milieu et vaut 7cm.
Figure 4.15 : Déplacements verticaux du remblai du corps de la digue, retenue pleine
4.9.3.3. Etude de stabilité du barrage à l’état normal en service pendant un séisme La retenue étant pleine, le calcul se fait sous l’effet : -
du poids du remblai ;
-
la poussée de la retenue ;
-
les forces d’inertie horizontales du remblai ;
-
et la surpression dynamique de la retenue, pour une accélération égale à 50 % de
l’accélération prévue. Pour un facteur d’accélération horizontale k h= 0.125g correspondant à un ouvrage de grande importance situé dans la zone IIa, le facteur de sécurité au glissement du talus aval est FS=1.10.
Le maillage déformé de cette phase d’étude est représenté sur la f igure ci-dessous.
Figure 4.16 : Maillage déformé de la phase retenue pleine sous un séisme maximal
53
4.9.3.4. Etude paramétrée de la stabilité au glissement Considérant la configuration du régime permanent (retenue pleine) et en faisant varier le coeffi-
cient horizontal de d’accélération sismique, les résultats des calculs de la valeur du facteur de sécurité au glissement du talus aval sont encadrés dans le tableau 4.9.
Tableau 4.9. : Facteur de sécurité en fonction de l’accélération sismique, retenue pleine N°
Configuration
Retenue
Facteur horizontal
FS minimale
FS minimale
k h
calculé
recommandé
01
Fin de construction
Vide
0
2.07
1.30
02
Régime permanent
Pleine
0
2.04
1.50
03
Régime permanent
Pleine
0.05
1.58
1.20
04
Régime permanent
Pleine
0.075
1.40
1.0
05
Régime permanent
Pleine
0.10
1.24
1.0
06
Régime permanent
Pleine
0.125
1.10
(<) 1.0
07
Régime permanent
Pleine
0.15
0.997
Hors zone
D’après ces résultats, on constate que : Le talus aval est stable pour toutes les valeurs de
l’accélération sismique de la zone d’étude clas-
sé selon le RPA99 IIa. Les facteurs de sécurités des cinq premiers cas sont supérieurs aux valeurs minimales recommandés. Ces cas de charges ne sont donc pas dimensionnant. La valeur du septième cas est très proche
de la valeur requise, c’est-à-dire 1. Les calculs dyna-
miques confirment la validité du dimensionnement. C’est ce cas qui est dimensionnant. 4.3.3.5. Etude de stabilité du barrage en fin de vidange Après une baisse brusque de la retenue, les pressions interstitielles induites par la retenue ne se
sont pas encore dissipées et déstabilisent le remblai vers l’amont, ce cas est souvent dimensionnant pour le talus amont. Le calcul a été fait en plusieurs phases dans le même fichier : 0- Une phase initiale qui permet la génération des conditions initiales qui sont constituées de deux modes différents, l'un pour générer les pressions interstitielles initiales (mode des conditions hydrauliques) et l'autre pour spécifier la configuration géométrique initiale et générer le champ des contraintes effectives initiales (mode de configuration géométrique). Dans notre cas la nappe est fixée au niveau de retenue pleine y=43m, et la procédure k 0 n’est pas applicable. 54
1- Une phase de calcul plastique sous chargement gravitaire pour laquelle le multiplicateur total de poids est ( Σ Mweight =1), avec les paramètres suivants :
2- Une phase de calcul « phi-c reduction » pour laquelle le multiplicateur incrémental est (Msf =0.10), pour obtenir le facteur de sécurité au glissement ( Σ Msf), sous chargement gravitaire la retenue étant pleine avec les paramètres suivants :
"
"
3- Une phase de calcul plastique non drainé (rapide) en construction par étape dans laquelle on fixe le nouveau niveau d e
la nappe d’ eau y=3m qui définit le cas d’une vidange, avec les para-
mètres suivants :
4- Une phase de calcul non drainé « phi-c reduction » pour lequel le multiplicateur incrémental est (Msf=0.10), avec les paramètres suivants :
"
"
5- Une phase de calcul plastique drainé (rapide) en construction par étape identique à la phase 3, avec les paramètres suivants :
6- Une phase de calcul drainé « phi-c reduction » identique à la phase 4 avec les paramètres suivants :
55
L’enchainement des phases de calculs est représenté sur la figure.
Figure 4.17. : Phases de calcul selon les conditions hydraulique
En faisant varier les conditions hydrauliques (régime permanent, vidange rapide et vidange lente), les valeurs du facteur de sécurité sont encadrés ci-dessous (tableau 4.4.)
Tableau 4.10. : Valeurs du facteur de sécurité selon les conditions hydrauliques Conditions hydrauliques Nappe permanente Vidange rapide Vidange lente
Facteur de sécurité 2.04 2.05 2.06
Les valeurs du facteur de sécurité sont très proches et trop élevées par rapport aux valeurs minimales imposées par les recommandations internationales et aux règles de l’art, ce qui prouve que la digue est surdimensionnée.
56
4.10. Synthèse
D’après les résultats obtenus, on remarque que les valeurs du facteur de sécurité aux glissements issus des calculs à l’équilibre limite et à la rupture en utilisant le logiciel Talren sont inférieures aux valeurs des calculs utilisant l’approche « phi-c reduction » utilisée par le code en éléments finis appelé Plaxis. Grace à ces outils numériques utilisés à savoir Talren et Plaxis, on a pu Vérifier la stabilité générale des talus de la digue en terre du barrage de Soubella.
Notre travail ne s’est pas limité à ce stade mais on a comparé les valeurs du facteur de sécurité obtenues, avec les valeurs minimales imposés par les recommandations internationales et aux
règles de l’art, et on a constaté que la digue est surdimensionnée ce qui constitue une expertise technique de la stabilité du barrage vis-à-vis du chargement gravitaire, sismique et la modification des conditions hydrauliques.
57
CONCLUSIONS GENERALES
L’étude présentée dans ce mémoire avait pour finalité d’analyser la stabilité d’une digue en terre avec une étude du cas du barrage de Soubella sit ué à Magra (willaya de
M’sila).
Cette étude a permis dans une première étape d’exposer les différentes méthodes de calcul actuellement disponibles (calcul en équilibre limite, calcul à la rupture et calcul en éléments finis) et les approches de calcul possibles (approche pseudo-statique, approche dynamique directe) en conformité avec la réglementation parasismique algérienne en vigueur (RPA 99, version 2003).
Dans une seconde
étape, cette étude a permis de mettre en œuvre deux outils numériques per-
formants dédiés à ce type d’études : le logiciel TALREN pour l’analyse de la stabilité des talus en ruptures circulaires et non circulaires par un calcul en équilibre limite avec la méthode des tranches (méthodes de Fellenius, de Bishop, de perturbation et méthode de calc ul à la rupture),
et le code de calcul en éléments finis PLAXIS pour l’analyse en déformations planes des massifs de sols ou des roches tendres par un calcul élasto-plastique avec un critère de type MohrCoulomb suivant un procédé de réduction des paramètres de cisaillement "phi-c reduction"; les deux logiciels utilisant l’approche pseudo-statique.
Elle a permis
d’analyser la stabilité des talus amont et aval de la digue en terre du barrage de
Soubella situé à Magra (willaya de
M’sila), en distinguant quatre cas de configuration à savoir le
calcul en fin de construction, le calcul en régime permanent, la vidange que ce soit rapide ou lente et le calcul dynamique p ar l’approche pseudo statique de
Après calculs et discussions des résultats des valeurs du facteur de sécurité, obtenues par les différentes méthodes implémentées dans les deux logiciels, on a fait une comparaison avec les valeurs minimales conseillées par les
recommandations internationales et les techniques de l’art ce
qui constitue en lui-même une expertise de la stabilité du barrage en construction actuellement.
La sécurité des parements amont et aval, sous sollicitations sismiques est assurée pour toutes les configurations.
58
R EFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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60
LISTE DES ILLUSTRATIONS
Figure 1. 1 : Les familles de barrages en béton .......................................................................... 4 Figure 1. 2 : Barrage poids ......................................................................................................... 5 Figure 1. 3 : Barrage voûte ......................................................................................................... 6 Figure 1. 4 : Différents types de barrages à contreforts ............................................................. 7 Figure 1. 5 : Barrages à contreforts ........................................................................................... 7 Figure 1. 6 : Les différents types de barrage en remblai ............................................................ 8 Figure 1. 7 : Coupe transversale d’un barrage en enrochement ................................................. 9 Figure 1. 8 : Barrage homogène ............................................................................................... 12 Figure 1. 9 : Barrage zoné avec un noyau étanche ................................................................... 13 Figure 1. 10 : Barrage à masque étanche ................................................................................. 14 Figure 1. 11 : Barrage à masque amont .................................................................................... 14 Figure 2.1 : Schéma d’un bassin versant .................................................................................. 18 Figure 2.2 : Schéma de répartition des tranches dans la retenue .............................................. 20 Figure 2.3 : Evacuateur de crue. ............................................................................................... 25 Figure 2.4 : Barrage plein ......................................................................................................... 27 Figure 2.5 : Tassement des fondations ..................................................................................... 29 Figure 3.1. : Interface du logiciel TALREN. ........................................................................... 31 Figure 3.2. : Interface du code PLAXIS................................................................................... 33 Figure 3.3. : Définition du module d’Young E. ....................................................................... 34 Figure 3.4. : Rés ultats d’essais triaxiaux drainés et modèle élastoplastique type Mohr -C. ..... 35 Figure 4.1 Localisation géographique du barrage de Soubella ................................................ 38 Figure 4.2 Températures mensuelles moyenne ........................................................................ 41 Figure 4.3 Evaporation sur plan d’eau - Répartition mensuelle ............................................... 42 Figure 4.4 Pluviométrie - Répartition mensuelle ..................................................................... 43 Figure 4.5 Carte géologique du site de la digue de Soubella ................................................... 44 Figure 4.6 : Section du Barrage de Soubella ............................................................................ 47 Figure 4.7 : Facteur de Sécurité du talus aval sous G, selon la méthode de Fellenius ............. 48 Figure 4.8 : Facteur de Sécurité du talus aval sous G, selon la méthode des Perturbations .... 49 Figure 4.9 : Maillage déformé du Barrage en fin de construction ........................................... 50 Figure 4.10 : Déplacements totaux coté aval du barrage en fin de construction ...................... 51 Figure 4.11 : FS au glissement du talus coté aval du barrage en fin de construction .............. 51 Figure 4.12 : Ligne de saturation du Barrage avec retenue pleine. .......................................... 52 Figure 4.13 : Déplacements totaux coté aval du barrage avec retenue pleine ......................... 52 Figure 4.14 : Facteur de sécurité au glissement du talus coté aval, retenue pleine .................. 52 Figure 4.15 : Déplacements verticaux du remblai du corps de la digue, retenue pleine .......... 53 Figure 4.16 : Maillage déformé de la phase retenue pleine sous un séisme maximal ............. 53 Figure 4.17. : Phases de calcul selon les conditions hydraulique ............................................ 56
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1 : Valeurs de la largeur minimale en crête ............................................................. 21 Tableau 2.2 : Valeurs de pente de talus pour barrage de remblayage hydraulique .................. 22 Tableau 2.3 : Ordre de grandeurs de la hauteur du barrage et la pente du talus ...................... 22 Tableau 4.1 : Températures mensuelles moyennes .................................................................. 42 Tableau 4.2 : Evaporation sur plan d’eau - Répartition mensuelle .......................................... 42 Tableau 4.3 : Pluviométrie – Répartition mensuelle ................................................................ 43 Tableau 4.4 : Les valeurs de coefficient d’accélération et le coefficient sismique horizontal . 45 Tableau 4.5 Caractéristiques de la fondation ........................................................................... 46 Tableau 4.6 : Caractéristiques des matériaux du barrage ......................................................... 46 Tableau 4.7. : Coordonnées cartésiennes des nœuds du barrage de référence ......................... 47 Tableau 4.8. : FS en fin de construction selon différentes méthodes de calcul ....................... 49 Tableau 4.9. : Facteur de sécurité en fonction de l’accélération sismique, retenue pleine ...... 54 Tableau 4.10. : Valeurs du facteur de sécurité selon les conditions hydrauliques ................... 56
Liste des Notations
A
: coefficient d’accélération de zone
ah
: coefficient d’accélération sismique horizontal
c
: cohésion
c’
: cohésion effective
cu
: cohésion non drainée
cc
: indice de compression
c g
: indice de gonflement
E
: module d’élasticité (module d’Young)
E ref
: module de référence
E 50
: module sécant
F S
: coefficient de sécurité
G
: module de cisaillement du sol (module de Coulomb)
H
: effort horizontal
h
: hauteur du talus
K 0
: coefficient de pression des terres au repos
K h
: coefficient pseudo-statique horizontal
K v
: coefficient pseudo-statique vertical
K x
: perméabilité du sol selon la direction x
K y
: perméabilité du sol selon la direction y
N f
: indice de frottement
N s
: indice de stabilité
N e
: indice de séisme
P
: fonction de perturbation
σ‘ p
: pression de préconsolidation
σ‘ vo
: pression effective des terres
r u = u / σ’ vo
: coefficient de pression interstitielle
U
: pression interstitielle
U l
: effort dû à la pression d’eau latérale
V
: effort vertical
W
: poids des terres
β
: angle du talus
γ
: poids volumique
γd
: poids volumique sec
γ sat
: poids volumique saturé
φ
: angle de frottement interne
φ’
: angle de frottement interne effective
φu
: angle de frottement interne non drainé
υ
: coefficient de Poisson
σ 1 , σ 2 , σ 3
: contraintes principales majeure, intermédiaire et mineure
σ’
: contrainte effective
α
: inclinaison de la surface de rupture
τ ult
: contrainte de cisaillement ultime du sol
τ max
: résistance au cisaillement
τ
: contrainte de cisaillement mobilisée
ψ
: angle de dilatance
ΣMsf : coefficient total de sécurité (facteur de sécurité)
