Rapport de mémoire Ouvrages hydrauliques
Elaboré par : Amal HENTATI Brahim OUERGHI Donia KHELIFA Hassine SOUFI
3GC2 1
Introduction Les barrages sont des ouvrages en terre ou en béton établis au travers d’un lit de cours d’eau entre l’amont et l’aval. Ils servent à l’alimentation en eau potable, à la production d’énergie électrique et à l’irrigation des cultures. Les crues sont des phénomènes exceptionnels. Elles peuvent être décennales, centennales ou millénaires. Elles surviennent lorsque les affluents d’un cours d’eau grossissent en même temps à cause de fortes pluies. Ainsi le cours d’eau déborde de son lit pour inonder ce qu’on appelle le lit majeur. Ces crues peuvent provoquer des dégâts sur la digue et sur les régions avoisinantes d’où la nécessité d’installation d’un évacuateur des crues. Outre les déversoirs, des ouvrages d’évacuation sont nécessaires pour extraire l’eau du réservoir en continu. Les barrages sont généralement érigés avec des ouvrages annexes tels que : les ouvrages de prises et les ouvrages de vidange. Cependant, les petits et moyens barrages sont très souvent équipés d’une seule conduite, en acier ou en béton.
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I.
Les barrages en terre :
La réalisation des barrages en terre homogène a connu un grand succès grâce aux améliorations réalisées dans le domaine des grands engins de terrassement. Ceci a permit de rendre leur réalisation plus économique que les barrages en béton mais sont souvent de moins grande ampleur que les autres types de barrage. Un barrage en terre est souvent réalisé avec des matériaux collectés à proximités du site où il sera érigé.
Les principaux paramètres à prendre en compte dans le choix du site et du type de barrage sont les suivants :
La topographie
les apports du bassin versant
La morphologie de la vallée
Les conditions géologiques et géotechniques
Le contexte météorologique et le régime des crues
Les apports moyens en eau et leurs fluctuations saisonnières
Les caractéristiques topographiques.
Les risques sismiques
II.
Dimensionnement d’un barrage en terre :
Petit ou moyen barrage n’est en rien synonyme de barrage sans risque ; pour cela chacun des éléments de l’ouvrage ne peut donc pas être conçu ou dimensionné de façon indépendante des autres.
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 ;
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- 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.
A. Dimensionnement de la digue [1] a) La hauteur normale de la retenue : i.
Présentation des données :
La hauteur normale de la retenue correspond à la capacité utile à stocker. Cette capacité est déterminée en tenant compte de la pluviométrie annuelle donc les apports annuels, du volume des besoins, du volume des pertes et
de la tranche morte
correspondante aux dépôts solides. Nous disposons des données suivantes :
La répartition mensuelle est comme suit :
Avec, Et
V (Z ) s * Z
3
/3 s * Z
2
/2
S (Z ) s * Z
2
s * Z
s = 688 s =8110 ii.
Le traçage des courbes : 4
Les données présentées ci-dessus ont permis de tracer les courbes suivantes qui vont servir ultérieurement lors de l’étude de régularisation : 3500000
v(z)=f(z) s(z)=f(z)
3000000 2500000 2000000
v(z) 1500000
s(z)
1000000
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Z=f(v
500000 0
Z
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
z=f(s(z)) 20 15 10 z 5
0 8798 18972 30522 43448 57750 73428 90482 108912 128718 149900 172458 196392 221702 248388 276450 305888 336702 368892 402458
0
iii.
L’étude de régularisation :
L’étude de régularisation est l’aboutissement final de certaines études techniques ,elle permet de faire le choix des dimensions optimales des ouvrages et de gérer rationnellement la capacité de la retenue . Cette étude nécessite les données suivantes :
Les résultats de l’étude hydrologique,notamment les répartitions mensuelles des apports,de l’évaporation et d’autres pertes.
Les besoins en eau exprimés à l’échelle mensuelle
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La courbe hauteurs –capacités de la retenue
La capacité maximale de la retenue : Veau 1001857,11 m3
La courbe hauteurs-capacités
iv.
H eau utile= 12,10 m
Le volume de la tranche morte :
Qsolide=A*S/s
Vsolide=Qsolide*d
Vtranche morte=117147,57 m3
En sommant le volume d’eau et le volume solide, et en passant par la courbe hauteurscapacités, on aboutit à calculer la hauteur normale de la digue Vtotal= Veau + Vtranche morte = 1119004,68 m3 La hauteur normale de la retenue est H normale de la retenue=12,66 m b) La hauteur de la revanche: La revanche est la tranche comprise entre la côte des plus hautes eaux et la crête de la digue. Elle a pour fonction d’assurer une protection contre les effets des vagues
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c) La hauteur de la crête : La crête évite le déferlement de vagues formées par
le vent lors de la crue donc la
hauteur de la crête dépend de la crue de
dimensionnement considérée.
Pour ce barrage, H
crête +revanche =
2m
d) La hauteur de la digue La hauteur de la digue est égale à la hauteur normale de la retenue, majorée de la charge maximale au-dessus de seuil du déversoir de crue et la revanche
H digue=14,66m e) La largeur en crête : La largeur en crête d’une digue en terre doit être assez suffisante pour qu’il n’y a pas de circulation d’eau importante dans la digue prés de son couronnement. Pour des ouvrages de hauteur supérieure à 9 mètres, on adopte souvent une largeur en crête égale 1/3 de la hauteur du barrage.
Lcrête=4,89m
f) La pente des talus : La pente d’un talus est le produit de la hauteur sur sa projection horizontale au sol. Elle est fixée par les conditions de stabilité mécanique du massif et ses fondations. Pour déterminer la pente des parements, on donne en général des pentes, qui paraissent optimales, compte tenu de la nature des matériaux de construction et la hauteur du barrage. Pour ce barrage, on adopte les pentes des talus suivantes :
1/2.5 pour le talus amont
1/2.5 pour le talus aval
g) Largeur de la base du barrage La largeur de la base du barrage est déterminée comme suit : 7
Lbase= 2*(2,5*Digue) + Lcrête
Lbase=78,19m Le barrage en terre étudié aura les dimensions suivantes :
Dimensionnement d’un barrage en terre
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III.
Présentation des modèles utilisés et des principaux résultats obtenus : A. Introduction au logiciel :
Geostudio C’est un logiciel de calcul géotechnique qui permet de traiter les différents problèmes du sol comme le glissement des terrains, le tassement, la consolidation, les infiltrations des eaux dans le corps de la digue d'un barrage et d'autres problèmes liés à la géotechnique. Plusieurs programmes sont intégrés dans la fenêtre générale du logiciel:
SLOPE/W: Permet de calculer le coefficient de sécurité d'un talus naturel ou artificiel par les méthodes d'analyses classiques..
SEEP/W: Permet de calculer les infiltrations des eaux (Par la méthode des éléments finis).
SIGMA/W: Permet d'analyser les problèmes de la relation contraintes / déformations (Par la méthode des éléments finis).
QUAKE/W: Permet de définir le comportement d'un terrain sous l'effet d'un séisme (Par la méthode des éléments finis).
TEMP/W: Permet d'analyser les problèmes Géothermique du sol (Par la méthode des éléments finis)... et autres logiciels.
B. Illustration des méthodes et des résultats a) SEEP : SEEP / W est un programme largement utilisé dans les modélisations numériques. Il simule le régime des eaux souterraines en utilisant une géométrie matérielle utilisant les conditions aux limites et les propriétés des matériaux comme entrées. SEEP / W a la capacité de modéliser à la fois l'état d'équilibre et les conditions des eaux souterraines transitoires.
On s’en sert pour, par exemple, modéliser les écoulements à travers les barrages, dans les routes, à travers les sites d’enfouissement, autour des rivières, etc.
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i.
Utilité
SEEP/W fonctionne grâce à des éléments finis. Les éléments finis, malgré un background mathématique complexe, sont relativement faciles à utiliser, puisque tout fonctionne en interface graphique. La première étape consiste à dessiner en 2D une section ou un plan que nous souhaitons modéliser (grâce à un maillage), puis entrer les paramètres des matériaux, et indiquer les conditions que nous désirons imposer au modèle (un débit ou des charges de pression) et le tour est joué. Évidemment, il y a quelques subtilités à considérer lorsque le problème se complexifie, mais les problèmes complexes sortent du cadre du présent cours. ii.
Etapes d’exécution Le menu de la figure 1 apparaît. Il faut noter les noms donnés aux boutons et y faire
référence tout au long de ce document. Puis il faut suivre les menus de SEEP/W un par un. Un exemple d’analyse est effectué en même temps que les explications.
Barre menu de DEFINE SET
: AJUSTER LA PAGE DE TRAVAIL
Il s’agit d’abord de donner l’étendu de la plage et son échelle.
– Page : Entrer la largeur et la hauteur de la feuille. – Scale : Entrer l’échelle. Idéalement, entrer la même échelle en horizontal et en vertical (après cette étape, vérifier si notre échelle est correcte en cliquant sur le bouton grid, qui fait apparaître le grid et actionne l’option snap to point). –Axes : On n’est pas obligés de dessiner des axes, mais ça peut aider à repérer les points pour le dessin et pour l’analyse. On peut suivre les coordonnées de notre curseur en temps réel
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grâce à l’étiquette attachée à au pointeur de souris (si le bouton coordonnées est activé) ou en regardant le tableau en bas à droite. KEYIN
: ENTREE DES PARAMETRES DE CONVERGENCE ET DES PROPRIETES DES SOLS
ANALYSIS SETTINGS
: Nous entrons le nom de notre projet dans l’onglet Project ID. L’onglet
Type sert à indiquer si notre problème sera analysé en régime transitoire (dépendamment du temps, on indique alors les paramètres temporels dans l’onglet Time) ou en régime permanent (système à l’équilibre). La version estudiantine ne permet que les analyses en permanent. Dans l’onglet Control, on indique le sens de la gravité. C’est l’onglet Convergence qui nous intéresse le plus (figure 2). Il s’agit d’ajuster les paramètres de convergence. Ces paramètres dépendent des gradients de pression, du maillage et des propriétés des sols. En gros, voici ce que signifie chaque paramètre de convergence.
Max # of iterations : Nombre maximal d’itération pour les calculs. Plus il y en a, plus le calcul est long, mais plus la solution peut être précise.
Tolerance : Différence entre deux itérations successives après laquelle la simulation se termine. Plus la tolérance est petite, plus le calcul est long, mais plus la solution peut être précise.
Maximum change : Changement maximum entre les itérations. Plus il est petit, plus le calcul est long, mais plus la solution peut être précise.
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Paramètres de convergence
Minimum change : Changement minimum entre les itérations. Plus il est petit, plus le calcul est long, mais plus la solution peut être précise. Le changement minimum doit être environ de deux ordres de grandeur plus petit que la tolérance pour permettre la convergence.
Rate of Change : Taux de changement entre chaque itération. Il est toujours supérieur à 1, mais plus il est petit, plus le calcul est long, mais plus la solution peut être précise.
HYDRAULIC FUNCTIONS : Nous entrons les fonctions de conductivité hydraulique et les courbes de rétention d’eau. Il doit y avoir cohérence avec les unités préalablement entrées. Il s’agit de pression, alors les succions entrées sont négatives. On peut faire un copier-coller à partir d’un chiffrier électronique (Excel ou autre). Plus les fonctions sont abruptes (dans le cas des sables et des graviers), plus la convergence est difficile : on doit serrer le maillage et 12
ajuster les paramètres de convergence en conséquence. SEEP/W permet d’estimer la courbe de rétention d’eau à partir d’une courbe granulométrique. SEEP/W permet aussi d’estimer la fonction de conductivité hydraulique à partir de la courbe de rétention d’eau (version complète seulement). Fonction de conductivité MATERIAL
PROPERTIES
: Nous entrons le numéro du matériau, les numéros de fonctions
auxquelles il se réfère et sa couleur pour le dessin du maillage. Voilà ! Nos paramètres sont entrés. Nous pouvons maintenant dessiner notre maillage.
Les propriétés de matériel
Noeuds
Nœuds et éléments
Elément s
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Dessin du barrage MAILLAGE Un maillage est fait d’éléments attachés par des nœuds (figure 5). On fait apparaître le grid si ce n’est déjà fait (en appuyant sur le bouton grid). On utilise alors les boutons outils de dessin comme nous les utilisons dans MS Word. Une fois nos lignes guides dessinées, nous allons tracer notre maillage par-dessus en sélectionnant Draw ; regions dans le menu en haut et en cliquant sur chaque coin du dessin. Nous avons le choix de subdiviser notre maillage en plusieurs régions. Lorsque la région est refermée, une fenêtre apparaît. Les onglets sont Material, Mesh, Edges, Elements et Openings. – Materials : choisir le matériau dont est constituée la région. – Mesh : on a le choix entre : – No mesh : la région est un seul élément. – Unstructured : la région se divise en multiples triangles. – Structured : la région se divise en multiples quadrilatères.
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Maillage du barrage – Opening : permet de modélisé des conduites (trous ronds dans le maillage). – Edges : choisir le nombre d’élément de chaque bordure (procédure semi-automatique : vous choisissez le nombre d’éléments d’une bordure et les autres bordures s’ajustent). – Eléments : propriétés des éléments, permet de changer l’ordre d’intégration et l’épaisseur des éléments (pour les simulations 3D). Plus notre maillage est fin, plus le calcul sera long. Un maillage fin est nécessaire dans les zones où l’on envisage de forts changements de pression. Pour les matériaux à fonctions abruptes (sols grossiers), les changements de pression peuvent être drastiques. De plus, les matériaux grossiers, étant donné leurs fonctions abruptes, un petit changement de pression peut entraîner un grand changement de teneur en eau ou de conductivité hydraulique. Si le maillage est raffiné pour les sables et les graviers. On Clique su OK une fois le maillage ajusté.
Le bouton conditions de contour, comme son nom le dit, on sert à définir les conditions de contour.
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Nous pouvons imposer des débits, des charges ou un gradient hydraulique unitaire. On sélectionne le type de débit ou de charge, puis on clique sur les nœuds sur lesquels nous désirons que la condition s’applique. Nous pouvons sélectionner une région de nœuds en gardant enfoncé le bouton de gauche de la souris, ou bien une série de nœuds alignés en gardant enfoncée la touche Shift. Nous pouvons ajouter des sections de débit grâce au bouton section de débit (une section de débit ne doit pas passer directement sur des nœuds ; s’il le faut, on déplace là de quelques millimètres). Il s’agit simplement d’une section à travers laquelle SEEP/W calculera la quantité d’eau qui est passée. Nous pouvons en tout temps ajuster notre maillage, supprimer des nœuds et des éléments, les déplacer, etc., en utilisant les fonctions du bouton propriétés.
Menu de CONTOUR iii.
Résultats
Une fois que tout est à notre goût, il faut vérifier le maillage en cliquant sur le crochet dans le menu à gauche, ce qui permet à SEEP/W de voir si tout est correct et SEEP/W redonne les bons numéros aux nœuds et éléments. Pour résoudre le problème, on clique sur le bouton SOLVE sous le crochet dans le menu à gauche pour résoudre le problème. On appuie sur Start pour commencer la simulation. Nous pouvons observer le déroulement de la simulation et l’état de la convergence en appuyant sur Graph. Une fois la simulation terminée, nous pouvons visualiser les résultats. Le bouton CONTOUR dans le menu à gauche, sous le bouton SOLVE, nous permet de voir les contours par gradients de couleur des pressions, débits, gradients, etc. La figure montre le menu de l’option CONTOUR. Le bouton vecteur fait apparaître des flèches qui indiquent de mouvement de l’eau et sa vitesse relative.
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Le bouton étiquettes permet d’afficher une étiquette montrant la valeur de nos sections de débit. Le bouton lignes d’écoulement affiche les lignes d’écoulement lorsque nous cliquons sur le dessin. Le bouton contours permet de tracer des lignes de contours de pression, débit, vitesse, gradient, etc. Finalement, le bouton graphique permet de tracer des courbes de pression, débit, vitesse, gradient, etc. Il permet aussi d’exporter des résultats pour importation éventuelle dans un chiffrier électronique (comme Excel).
Résultats
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Diagramme de pression
Diagramme de vitesse
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b) SLOPE : Le logiciel Geostudio, permet à l'utilisateur de combiner deux ou plusieurs types d'analyses afin
de
transférer des
informations
précieuses entre
deux
ou
plusieurs modèles. Dans de notre étude, l'analyse SEEP / W décrit à la section précédente a été utilisé comme un «parent» d'analyse pour la suite SLOPE / W. Cela permet au modèle SLOP / W d’utiliser la géométrie région et les conditions de l'eau interstitielle de l'analyse SEEP / W dans ses calculs de stabilité des pentes.
SLOPE/W est le produit calculant la stabilité du logiciel pour le. calcul du coefficient de sécurité de la terre et les pentes rocheuses. Avec SLOPE/W, vous pouvez analyser à la fois des problèmes simples et complexes pour une variété des formes de surface de glissement, des conditions de pression d'eau interstitielle, les propriétés du sol, les méthodes d'analyses et de conditions de chargement En cas de non vérification du glissement, on est obligé d’ajouter une bêche d’ancrage sous la semelle, mais en cas de non vérification de l’une des deux autres conditions on doit redimensionner le mur de soutènement de nouveau. Il existe deux autres vérifications pour la stabilité externe du mur, le tassement et le grand glissement, qui n’ont pas été vérifiées car le calcul des tassements et du grand glissement ne sont généralement faits que dans le cas où les caractéristiques du terrain d’assise et des couches de fondation sont médiocres. Une fois qu'on a résolu notre problème, SLOPE/W offre de nombreux outils pour la visualisation des résultats. On va entamer deux méthodes de modélisation pour résoudre notre problème :
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METHODE DE E XIT AND ENTRY :
Diagramme des polygonales des forces
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Diagramme des polygonales des forces
Caractéristiques des matériaux
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Graphe de pression de l’eau en fonction des distances
Graphe de la largeur et le poids de la couche en fonction des distances
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c) Sigma i.
Généralités :
Deux des parties les plus critiques du développement d'un modèle de déformation représentatifs sont la définition de la stratigraphie du sous-sol et la sélection des propriétés des matériaux. Deux questions ont été essentielles pour le développement du modèle de déformation : Identification
d'une profondeur
où la
roche ci-dessous
pourrait être
raisonnablement
considérée comme «incompressibles». Cela a été nécessaire pour fournir une condition limite pour le modèle. Décider si la roche dans la zone au-dessus du matériau "incompressible" doit être subdivisée en différentes couches avec des propriétés des matériaux différents ou si les propriétés du matériau uniforme devrait être utilisé pour toute la couche. Pour une modélisation en deux dimensions des contraintes et déformations, il est essentiel de lier le problème en définissant un bord inférieur de la géométrie du modèle comme une limite de déplacement zéro et de se comporter comme une force de réaction au chargement qui lui est appliqué. ii.
Propriétés élastiques
Les deux premières méthodes pour évaluer le tassement des fondations sont la méthode élastique et la méthode des éléments finis. Ces deux méthodes nécessitent que le module d'élasticité (ou déformation) (E) et la ration de Poisson (μ). Une limitation importante de ces deux méthodes est l'approximation de la valeur de E. La valeur de E peut être estimée à partir des tests sur le terrain ou des tests de laboratoire. Essais sur le terrain, tels que les tests de charge planes, est une méthode préférable pour estimer une valeur applicable de E, mais peut fastidieux et coûteux à réaliser. Essais sur le terrain n'a pas été jugée réalisable pour ce projet en raison des excavations profondes qui seraient nécessaires pour tester la formation aux endroits critiques.
Le module d'élasticité peut être calculé à partir des données des tests de laboratoire suivants: • Essais de compression simple • essais de cisaillement triaxial 23
• Essais sur la consolidation
Une des principales préoccupations liées au développement du module d'élasticité des tests de laboratoire est que les tests de laboratoire sont réalisés sur des échantillons relativement petits qui sont habituellement intactes et dépourvus de discontinuités et aussi au fait de la perturbation de l'échantillon. Basé sur des informations publiées, les valeurs calculées du module utilisant les données de tests de laboratoire sont généralement plus élevés que les tests sur le terrain parce que le règlement de la roche est fortement influencé par les propriétés in-situ telles que les joints, les fractures et les failles. Les valeurs calculés à partir des essais en laboratoire seront également variés en raison de la réponse contrainte-déformation de la roche n'est pas linéaire. En outre, ces valeurs dépendent de la portion de la courbe contraintedéformation pour le calcul. iii.
Consolidation
L’indice des vides initial et les propriétés de consolidation pour le Bas-Dawson sont basées sur les résultats de cinq essais de consolidation. Le coefficient de compression (cc) et le coefficient de recompression (CR) ont été élaborés à partir d'une parcelle de taux de vide par rapport à la contrainte effective verticale. La pression de pré-consolidation (σ'p) a été estimée en utilisant des constructions de Casagrande à partir des essais de consolidation à environ 65.000 PSF. Le chargement vertical de l'argilite ne devrait pas dépasser cette pression, CR a été utilisé pour l'analyse de déformation des fondations. Méthode de travail de SIGMA / W SIGMA / W est un logiciel polyvalent d'éléments finis qui est utilisé pour le calcul et le traçage des contraintes dans des zones chargées qui peuvent être modélisés comme des déformations planes à deux dimensions ou des problèmes axisymétriques. Le logiciel modélise le sol comme un matériau infiniment élastique linéaire Définition des propriétés du sol: Les matériaux utilisés, sont supposés élastiques linéaires. Lors de la modification des contraintes provoquées par les charges appliquées, on peut supposer que le poids unitaire de sol est négligeable la contrainte de gravitation. Conditions aux limites:
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Dans cette étape nous spécifions les constances le long des frontières et de créons des conditions de limites et spécifions les charges connues ou des déplacements à la frontière. Une fois une condition limite crée, il peut être appliqué à un point, une ligne ou une région. Lorsque nous supposons qu'il n'y a pas de déplacement dans les directions X et Y, l'hypothèse doit être réaliste. Maillage : Le maillage est réalisé en se basant sur la modélisation par éléments finis. Le maillage par défaut serait suffisant pour la plupart de notre travail ici. Le maillage peut être varié en ajustant la taille des éléments globaux, comme la taille des éléments augmente, le maillage devient plus grossier. Résolution du problème : Une fois le problème défini, il peut être résolu, et les résultats peuvent être visualisés dans une fenêtre de contour. Cela peut être très efficace pour une étude paramétrique. Résultats: Le cercle de Mohr représente l'état de contrainte en tout point, avec les éléments montrant les contraintes normales et de cisaillement. SIGMA / W est un logiciel polyvalent d'éléments finis qui peut être utilisées pour calculer et tracer les contraintes dans les zones chargées qui peuvent être modélisés comme des déformations planes à deux dimensions ou des problèmes axisymétriques. Il permet au sol d’être seulement modélisé comme un matériau infiniment élastique linéaire. iv.
Utilité : En effet, on peut effectuer une simple analyse linaire de déformation élastique ou une
analyse non linaire élasto-plastique de la contrainte. Couplé avec d’autre GEOSLOPE, il peut aussi modéliser la génération de pression interstitielle d’eau et la dissipation d’une structure du sol en réponse à des charges externes en utilisant une formulation soit entièrement couplée ou non couplée.
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PRINCIPALES COMPOSANTES:
Les principales composantes à résoudre un problème de calcul des contraintes sont: DEFINITION DE LA GEOMETRIE: Toujours avoir un croquis du problème de géométrie avec les bonnes dimensions et définition de la zone de travail et les unités. Lorsque nous utilisons la même échelle dans les directions X et Y, la géométrie n'est pas anormale. Les unités et les échelles doivent être utilisées pour définir le problème à deux dimensions ou axisymétrique. Grid permet de sélectionner l'espacement de grille, ce qui rend visible, et l'accrochage à la grille de points de. Axes permet de dessiner les axes et les étiquettes. Sketch/Axes peut être une meilleure façon d'attirer les axes et les étiqueter. Utilisez View/Preferences pour changer la façon dont la géométrie, les polices et sorties graphiques sont affichés. Le menu Sketch est utile pour dessiner des lignes de cote avec des flèches et pour que le maillage d'éléments finis peut être faite plus fine dans les régions d'intérêt. DEFINIR LES PROPRIETES DU SOL ET EN ATTRIBUANT AUX REGIONS : Les matériaux qui sont placés, sont supposés être élastique linéaire. Lorsque nous sommes intéressés à la modification de contraintes provoquées par les charges appliquées, on peut supposer le poids unitaire de sol à négliger la contrainte de gravitation. DEFINIR LES CONDITIONS AUX LIMITES : Ici, nous spécifions les constances le long des frontières et de créer des conditions limites de spécifier les charges connues ou des déplacements à la frontière. Une fois une condition limite est crée, il peut être appliqué à un point, une ligne ou une région. Lorsque nous supposons qu'il n'y ait pas de déplacement dans les directions X et Y, l'hypothèse doit être réaliste.
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Déplacement suivant X
Draw contour labels DEFINIR LE MAILLAGE D 'ELEMENTS FINIS : Cette étape nous donne un avant-avis de la modélisation par éléments finis. Le maillage par défaut serait suffisant pour la plupart de notre travail ici. Le maillage peut être varié en ajustant la taille d'élément globale, comme la taille des éléments augmente.
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Maillage de l’exemple
RESOUDRE LE PROBLEME : Une fois que le problème est complètement défini, il peut être résolu, et les résultats peuvent être visualisés dans une fenêtre de contour. Cela peut être très efficace pour une étude paramétrique.
X-total stress
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Y-total stress
AFFICHAGE DES RESULTATS: Le cercle de Mohr représente l'état de contrainte en tout point, avec les éléments montrant les contraintes normales et de cisaillement.
Cercle de Mohr
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d) QUAKE QUAKE/W
est un logiciel basé sur le calcul d'élément fini et les données
géotechniques afin d'analyser les structures de terre soumis à des secousses sismique ou point dynamique d'une force d'explosion ou d'une charge d'impact soudaine. L’influence du séisme est représentée par un coefficient sismique horizontal Kh revenant à appliquer un effort moteur horizontal supplémentaire Kh.P au centre de gravité du volume de terre en glissement potentiel et de poids total P. Les efforts résistants mobilisés sont ceux estimés à partir de la résistance statique (tels que définis dans l’étude de stabilité sans séisme). Cette notion est bien adaptée aux méthodes de calcul habituelles découpant le volume de terre en tranches verticales. On utilise un coefficient sismique vertical Kv (l’introduction de l’effort supplémentaire Kv.P conduit à un effort moteur supplémentaire dans le cas d’une accélération dirigée vers le bas). Les étapes de calcul QUAKE Pour le module QUAKE présente deux étapes :
Calcule statique
Calcule dynamique
i.
Calcul statique
Cette phase de calcul nous permet d’estimer les efforts agissant sur notre digue Les efforts obtenus par cette phase seront transformé dans la deuxième étape en effort dynamique mais d’introduire l’analyse dynamique du barrage on commence par une partie de calcul de stabilité de la digue cette étape nécessite la définition des modules de Young et le coefficient de poisson de chaque matériaux et la masse volumique correspondantes
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Le tableau suivant résume les paramètres introduit de chaque matériau pour l’étape QUAKE : Type de sol
E(MPa)
Coefficient
de Masse
poisson
(t/m3)
Sol support
13000
0.3
2.3
Remblai
18000
0.3
2.3
Noyau 1
10000
0.45
1.85
Noyau 2
10000
0.45
1.8
ii.
volumique
Définition des conditions aux limites :
Concernant les conditions aux limites on applique la condition suivante :
les limites verticales on fixe les déplacements suivant la direction X
31
Les limites horizontales à la profondeur de 20m on fixe les déplacements suivant X et Y
On lance le calcul statique
Sous cette étape on peut visualiser les contraintes selon une direction donnée par exemple :
Ou bien voici l’illustration de la pression inertielle dans la digue :
32
iii.
Calcul dynamique On commence par définir le séisme : on utilise le ficher « exemple .acc » qui présente
une simulation d’un séisme une accélération normalisée à 0.25g
Le séisme sera calculer pour un temps de réponse de 10 seconde une table est générer avec un pas de temps de 0.02s pour 500 pas et ceci pour pouvoir visualiser l’effet dynamique sur la digue
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On change les conditions aux limites verticales définies précédemment dans le calcul statique par une limitation des déplacements suivant Y
On définit les coefficients d’amortissement pour les matériaux qui sera pris comme 0.1 pour tous les matériaux Pour estimer le potentiel de liquéfaction des sols QUAKE nous propose des corrections Ka, Ks, nombre de cycles
34
Correction Ka :
Correction Ks
Le nombre de cycle donnant la liquéfaction ;
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La pression inertielle provoquant la liquéfaction pour un nombre de cycle donnée :
iv.
Calcul dynamique : Le logiciel nous permets de voir une suite séquentiel (en animation) de la déformation
de la digue pendant les 10 sec du séisme ceci ce manifeste par la déformation des éléments finis
La digue subit un déplacement de la fondation au niveau de remblai amont Sur un plant de coupe passant par le milieu de la digue voici les déplacements suivant X pendant les 10 secondes de séisme
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On remarque que le déplacement maximale est obtenue a t=6sec il est de l’ordre de 0.23m On peut aussi choisir un instant appartenant au domaine d’étude (un point ou coupe sur la digue) pendant les 10 secondes du séisme donnée et analysée Les résultats suivant sont pour l’instant t=10sec iv.
Risque de liquéfaction
Tout le sol support ainsi que le remblai amont présente un risque de liquéfaction pendants le séisme ce risque peut nuire a la stabilité de la digue Les déplacements suivant X :
37
A t=10sec les déplacements sont les plus important sont au niveau du remblais amont ils sont de l’ordre de 0.03 m
Le module QUAKE nous permet de faire une analyse sismique de la digue ainsi on peut estimer la réponse de la digue suit a une action dynamique, calculer les déplacements, évaluer le risque de liquéfaction et ceci pour compléter l’étude de stabilité de la digue grâce au module SLOPE
38
v.
Recommandations Il est recommandé que des analyses similaires à celle décrite dans cette étude soit
conduite avec des programmes d’investigations plus détaillés. Appliquer les propriétés physiques basés sur des exemples provenant de sites différents, peu résulter en un modèle non réaliste et qui donne un facteur de sécurité supérieur ou inférieur à l’actuel. Une approche alternative à la construction d'un contrefort serait une re-classification de la digue afin d'aplanir le talus aval. Cette technique aurait toutefois besoin de plus de matériau que la construction d'un contrefort et une nouvelle analyse devrait être effectuée
C. Récapitulation
Les ouvrages hydrauliques sont des ouvrages importants pour la satisfaction des besoins en eau des populations, pour la sécurité alimentaire et pour le développement rural en général. Ils doivent toujours faire l’objet d’études sérieuses en relation avec leurs dimensions et être réalisés selon les règles de l’art, par des techniciens compétents, ce qui garantira leur efficacité et leur longévité. On n’insistera jamais assez sur la nécessité de l’entretien des ouvrages qui doit être systématique et régulier.
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IV.
La surveillance du barrage : A. Les objectifs :
La surveillance des barrages a trois grands objectifs : En phase de construction et la première mise en eau : La surveillance du barrage consiste à comparer le comportement de l’ouvrage par rapport aux prévisions du projet, que ce soit pour vérifier certaines hypothèses de calcul, pour valider les résultats de ces calculs ou pour vérifier la pertinence de tel ou tel choix technique. En phase d’exploitation : la sécurité de l’ouvrage et la maîtrise des coûts d’exploitation. Pour cela, il faut chercher à déceler tout signe avertisseur de changement dans le comportement de l’ouvrage, ce qui amène à s’intéresser d’une part à l’apparition de phénomènes nouveaux et d’autre part aux évolutions lentes liées au vieillissement. Un dernier objectif commun aux deux phases de la vie de l’ouvrage, citées ci-dessus, est le retour d’expérience pour l’ingénierie, ce retour d’expérience étant valorisé autant sur les futurs projets que sur le suivi des autres barrages d’une même famille Cela concourt à garantir, sur le long terme, d’une part la sûreté des ouvrages, et d’autre part la maîtrise des coûts par une maintenance qui peut être programmée et optimisée. L’aspect sécurité prime avant toute autre considération, mais il est évident que plus tôt une anomalie est détectée, moindres en sont les conséquences en termes de travaux ou de coût d’exploitation
B. Les principes de surveillance : La surveillance inclut trois composantes complémentaires : L’inspection visuelle dont l’objectif est de déceler des anomalies perceptibles à l’œil L’auscultation qui permet de mesurer l’évolution de certains paramètres et d’établir une analyse du comportement de l’ouvrage sur le long terme Les essais périodiques de certains organes, les vannes en particulier, dans différentes conditions de fonctionnement. Pour ce barrage, nous allons mettre le point sur le deuxième principe de surveillance qui est : l’auscultation. 40
C. L’auscultation : L’auscultation d’un ouvrage hydraulique est un point important de la vie de ce dernier. Cela permet de déceler toutes sortes d’anomalies pouvant entrainer une instabilité de l’ouvrage. Les moyens mis en œuvre pour assurer un suivi adapté doivent correspondre à la taille et à la complexité de l’ouvrage. Ainsi on mesure des déplacements, des déformations, des contraintes, des pressions, des débits… etc. L’auscultation d’un barrage dépend de nombreux paramètres tels que le type d’ouvrage, son âge, ses moyens de réalisation et son environnement. Chaque barrage est unique dans son comportement, il est donc nécessaire d’adapter les moyens d’auscultation à ce dernier en fonction de sa configuration et de ses pathologies. i. Les instruments d’auscultation : i.
Les instruments de mesure des déplacements : Les inclinomètres [2]
Les inclinomètres sont classés dans deux familles : • Les inclinomètres de surface sont fixés sur l’ouvrage et mesurent de façon précise les mouvements en un point de l’ouvrage. • Les clinomètres de forage servant à l’étude de la stabilité de sols. Ce sont des forages tubés qui ont des rainures longitudinales pour permettre le guidage de la sonde. Placés en profondeur (la fondation de l’ouvrage), ces derniers permettent de mesurer les mouvements du sol à plusieurs niveaux en faisant descendre la sonde le long du tube. En fait, un tassement excessif de la crête peut entraîner une diminution de la revanche ce qui diminue la sécurité du barrage. Ce tassement peut refléter une forte compressibilité de la fondation, ou un compactage insuffisant du corps du barrage. Cela remettra en cause la stabilité des talus qui seront susceptibles au glissement. L’implantation d’inclinomètres peut permettre de localiser la zone de glissement en profondeur et de suivre son évolution
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ii.
Les instruments de mesure des pressions interstitielles : Les piézomètres [2]
Les pressions interstitielles, mesurées par des cellules de pression interstitielle, tels que les piézomètres, installés lors de la construction du barrage. La fondation, le noyau, les rives, les appuis et les talus doivent être également auscultés.
Au sein du noyau du barrage : Les mesures des pressions se font au moyen de cellules piézométriques. Ces mesures permettent d’observer ponctuellement les phénomènes de consolidation, la valeur des pressions interstitielles ainsi que la progression du niveau de la saturation. Elles seront intégrées dans des sections jugées stratégiques au cours de la construction. La mise en relation de ces mesures devrait permettre de déterminer le comportement global du noyau.
Dans les fondations : Des piézomètres seront implantés depuis la galerie d’inspection pour détecter toutes variations anormales du niveau de la nappe ;ce qui permet de recueillir un débit sortant du filtre dans un caniveau jaugé à la sortie du débit de fuite, et déceler tout problème d’érosion interne du barrage après une analyse de la composition de l’eau récoltée. Un système identique sera installé au pied du barrage
Généralement, une piézométrie élevée dans la fondation est préjudiciable à la stabilité de l’ouvrage. Elle peut être imputée à une déficience des dispositifs d’étanchéité de la fondation et des appuis, contrairement à la diminution de la piézométrie qui peut refléter la dissipation des pressions interstitielles de construction ou une diminution de la perméabilité des matériaux par auto-colmatage.
iii.
Les repères topographiques :[3]
Les repères topographiques visent à contrôler la stabilité de l’ouvrage moyennant la mesure des éventuels mouvements des barrages tel que la mesure du tassement. Ces auscultations se font à l’aide d’instruments classiques tels que les niveaux de haute précision, les théodolites et les distance-mètres. Cette méthode donne des résultats de précision de l'ordre de (+/-) 2 mm en altimétrie et (+/-) 5 mm en planimétrie mais elle requiert un long temps d'exécution.
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En guise de mesurer le tassement de l’ouvrage, les bornes topographiques, dans le corps du barrage, sont placées sur la crête ou bien tout près de la crête, également ces repères s’accrochent sur le parement aval.
iv.
Les tassomètres : [4]
Ces instruments d’auscultation mesurent les déplacements verticaux internes (en profondeur) du barrage .Le principal champ d'application des tassomètres concerne le monitorage des affaissements des terrains en fondation. Pour cet instrument qui mesure les déplacements verticaux (tassements), on peut distinguer : Un tassomètre de forage, monopoint ou multipoints, mesurant le déplacement par rapport à la surface, d’un ou de plusieurs points matérialisés Un tassomètre de surface est le plus souvent constitué d’un niveau à liquide; il mesure le déplacement vertical du liquide
i.
Les colonnes de tassement : [4]
Un tube de tassement
Un repère de tassement
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Les colonnes sont des repères de tassement vertical. Ces dispositifs peuvent être prolongés par un forage de quelques dizaines de mètres de profondeur. La longueur des éléments du tube ne doit pas dépasser 6m .La verticalité du tube doit être contrôlée afin d’avoir une bonne interprétation des tassements de la digue
Remarque : L’auscultation d’un ouvrage hydraulique est un point important de la vie de ce dernier. Grace à cette mesure de control, il est possible de connaitre rapidement les pathologies dont souffre l’ouvrage c'est-à-dire que les instruments d’auscultation permettent de déceler toutes sortes d’anomalies pouvant entrainer une instabilité de l’ouvrage. Afin d’aboutir à une véritable surveillance, les moyens mis en œuvre pour assurer un suivi adapté doivent correspondre à la taille et à la complexité de l’ouvrage.
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Interprétations et conclusion : "De toutes les réalisations humaines, les barrages sont parmi celles qui peuvent à certains égard induire un potentiel de risque très significatif". Le Moniteur. Cette citation résume bien tout l’intérêt de l’étude de danger et de la surveillance des ouvrages hydrauliques. Les rares ruptures de barrages et de digues ont généralement des conséquences désastreuses. Dans le cas présent, la rupture est survenue lors de la première mise en eau. Dans d’autres conditions, les ouvrages peuvent subir des détériorations progressives et rompre des siècles après leur construction. C’est notamment le cas des barrages en terre très sensibles aux phénomènes d’érosion interne. Le suivi régulier de la structure de l’ouvrage avec des moyens appropriés est donc primordial. Si la rupture d’un barrage est clairement perçue comme dangereuse et spectaculaire, les conséquences sur l’environnement proche peuvent être encore plus désastreuses. Et si le risque de rupture du barrage est clairement identifié, certains accidents dus à la présence même d’un plan d’eau artificiel peuvent être tout aussi dévastateurs. Donc, les barrages, comme tous les autres ouvrages d’art peuvent être un potentiel de risques significatifs tant sur le plan humain qu’environnemental, ceci met bien en évidence la nécessité des études de dangers qui doivent prendre en compte toutes les sources d’incidents possibles aussi il est impératif de mettre en place des mesures de suivi et d’auscultation pour assurer une sécurité maximale et une avoir une sorte d’anticipation des travaux.
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BIBLIOGRAPHIE [1] Le guide Maghrébin pour l’exécution des études et des travaux de retenues collinaires [2] Auscultation des barrages en terre Bonelli RADZICKT 2005 [3] Petits barrages, recommandation pour la conception, la réalisation et le suivi Gerard DEGOUTTE [4] Dam monitoring 2005
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