projet de fin d’études -...
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Projet de fin dtudes -Note de Synthse-
Dimensionnement des vacuateurs de
crues de type Piano Keys Weir .
Application au barrage de Malarce
SAMBARINO Jrme Elve Ingnieur de 5me anne
Spcialit Gnie Civil Juin 2007
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Note de Synthse Dimensionnement des vacuateurs de crues de type Piano Keys Weir
Application au barrage de Malarce
SAMBARINO Jrme -2/6-
RESUME
Des tudes rcentes ont montr que de nombreux sites possdent un dficit dvacuation par
rapport la crue de projet (priode de retour de 1 000 ans pour les barrages en bton). Pour
pallier cette insuffisance, un recalibrage des vacuateurs de crues existants sur ces barrages
est ncessaire.
Rcemment un nouveau type dvacuateur labyrinthe, baptis Dversoir en Touches de
Piano (Piano Keys Weir), a t dvelopp. Il sagit damliorer lancien procd en donnant
une pente au fond plat dun seuil labyrinthe traditionnel. Les lments du dversoir se
trouvent ainsi en porte--faux. Cette solution innovante dvacuateur de crues labyrinthe a
lavantage de pouvoir tre mise en uvre sur les sections de largeur limite rencontres en
crte des barrages poids existants.
Dans un premier temps, jai t affect un projet de dversoir en touches de piano au
barrage de Malarce. Ce barrage est situ entre Nmes et le Puy en Velay sur la rivire
Chassezac, qui est un affluent de lArdche. Mon rle a consist raliser une tude technico-
conomique de cette proposition en cherchant optimiser le calage du seuil P.K. dune part,
et le cot li la baisse de la cote de la retenue normale par rapport au cot des travaux de
gnie civil dautre part.
Dans un deuxime temps, sachant que dans les annes venir beaucoup de projets similaires
verront le jour, jai du raliser un logiciel permettant de faciliter le prdimensionnement dun
tel dversoir. Ce programme est bas sur deux modles diffrents, lun favorisant un ouvrage
de grande taille mais avec peu dlments rpts, lautre privilgiant de plus petites
dimensions pour un nombre dlments dmultipli.
Mots cls : Evacuateur de crues, Dversoir en Touches de Piano, Evacuateur labyrinthe,
Recalibrage dvacuateur de crues, Crue de projet, Barrage.
ABSTRACT
Recent hydrological studies show that, for many dams, the design flood with a return period
of 1,000 years has been undervalued. As a consequence, a rehabilitation of the existing
spillways is needed.
In the last few years, a new concept of labyrinth spillways, called Piano Keys Weir, has
been developed. The former model was improved by replacing the flat bottom of a traditional
labyrinth spillway by a shape. So, the weir has overhangs. This innovative alternative of
labyrinth spillways can be used on the top of the usual concrete gravity dam sections, unlike
labyrinth weirs.
Firstly, I was involved in a Piano Keys Weir project on the Malarce dam, situated between
Nmes and Le Puy en Velay, on the Chassezac River, which is an influent of the Ardche
River. I had to realize a technical and economical study for this solution by optimizing the
setting of the Piano Keys Weir, and the decrease of the top water level in front of the cost of
civil engineering works.
Many similar projects will be initiated in the future by EDF. Therefore, after the Malarce
project, I made a software in order to help in the designing of a Piano Keys Weir. This
software is based on two different models. The first is facilitating a spillway with great
dimensions and few elements whereas the other one is privileging a smaller weir with many
elements.
Key words: Spillways, Piano Keys Weir, Labyrinth Weir, Dam Rehabilitation, Design Flood.
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Note de Synthse Dimensionnement des vacuateurs de crues de type Piano Keys Weir
Application au barrage de Malarce
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1. Optimisation dun dversoir en touches de piano au
barrage de Malarce
1.1. Prsentation du projet
Le barrage de Malarce est un barrage poids rectiligne situ mi-distance entre Nmes et le
Puy en Velay. Il est implant sur la rivire Chassezac qui est un affluent rive droite de
lArdche. La rvaluation du dbit de crue millnale sur ce barrage, a mis en vidence
linsuffisance de capacit de lvacuateur de crues existant.
En effet, des essais sur modle rduit ont montr un dficit dvacuation de 650 m3/s. Cest
pourquoi, depuis plus dune dizaine dannes, des solutions visant renforcer les installations
dvacuation de crues sont tudies sur ce barrage.
Les solutions envisages ont port sur une remonte du niveau des plus hautes eaux, sur la
construction dun nouvel vacuateur en rive droite ou sur la combinaison des deux.
Finalement, jusqu aujourdhui aucune de ces solutions na t retenue, essentiellementpour
des raisons conomiques.
Cependant, un projet de ralisation dun seuil en touches de piano ou Piano Keys Weir
en anglais, a vu le jour aprs mise en uvre sur le barrage de Goulours. Ce type novateur
dvacuateur de crues est capable dvacuer un dbit spcifique pouvant atteindre 40 m3/s/ml
pour un cot nettement moins lev quun seuil traditionnel. Cet vacuateur de crues sera
construit sur la cule rive droite du barrage en complment dune baisse du niveau de la
retenue normale quil faudra optimiser.
1.2. Etude Hydraulique
1.2.1. Description dun P.K. Weir
Le Piano Keys Weir (PKW) est une amlioration du dversoir labyrinthe dont le changement principal est de donner une pente au fond plat. Ce nouveau type de dversoir a lavantage dtre applicable des sections rduites de barrages poids existants. Il permet lvacuation de dbits spcifiques importants, avec un rendement suprieur celui d'un dversoir Creager. Le concept de base des PKW prvoit de dfinir la gomtrie de louvrage de la manire
suivante:
Le rendement du PKW dpend des rapports adimensionnels suivants : H/P, W/P, I/O, N (H
tant la hauteur de la lame deau dversante).Le dversement seffectue directement par les
extrmits des alvoles amont et aval mais aussi par aspiration de leau par le fond, le long
des murs bajoyers la manire dun vacuateur latral. Lvolution du dbit spcifique est
gale : PH , tant une constante dpendant des autres paramtres du PKW.
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1.2.2. Les variantes tudies
Afin de trouver le meilleur compromis entre le calage du PKW disposer sur la cule rive
droite du barrage, le cot des travaux associs et le cot de la perte dactif lie la baisse de la
cote RN, diverses solutions ont t envisages avec diffrentes hypothses. La baisse de la
cote de la RN sera comprise entre 0,5 et 1,5 m.
Pour cette tude, on a choisi des PKW symtrie amont/aval pour deux ratios N diffrents (5
7). Par ailleurs, des PKW gomtrie variable et sans porte--faux aval ont t tudis sans
donner satisfaction. Les rsultats montrent quune diminution de la RN de 0,5 m nest pas
envisageable quel que soit le cas de figure. En effet la hauteur du PKW impliqu serait trop
importante. Le meilleur rendement hydraulique pour un moindre cot a t obtenu pour un
rapport N=7 et un fruit de 2H/1V. Avec cette configuration, il est possible de raliser un PKW
pour des baisses de la cote RN respectives de : 0,7 m ; 1 m et 1,5 m.
Fruit 2H/1V N=7
RN - 0,7m RN - 1m RN - 1,5m
Hauteur PKW (m) 7,5 5,2 3,9
1.3. Etude de stabilit
A la suite de ltude hydraulique, la stabilit de la cule rive droite et du PKW a t vrifie
pour les trois baisses de la RN dfinies ci-dessus. Cet exercice a t ralis laide du logiciel
STABET, dvelopp par EDF. Cest un programme de vrification des barrages poids, bas
sur une mthode simplifie consistant en une analyse bidimensionnelle amont-aval effectue
sur les sections horizontales les plus critiques dun profil de barrage de largeur unitaire.
Il ressort de cette tude que quelle que soit la baisse de la RN, la stabilit nest pas assure en
conditions exceptionnelles, ce cas de chargement tant le plus dfavorable. En conditions
normales et extrmes, on observe un dfaut de stabilit pour des baisses de 0,7 m et 1 m.
Cependant, aucun problme na t rencontr pour un rajustement de 1,5 m.
Afin de remdier au manque de stabilit en conditions exceptionnelle, il a t dcid
dinstaller des tirants actifs permettant de rajouter du poids louvrage et donc de maintenir
linterface entre le rocher et le bton en compression. Les tirants seront disposs laval du
voile de drainage du barrage afin de limiter la corrosion. Le nombre de tirants et la tension de
service leurs appliquer ont t dtermins pour chaque scnario de baisse de la RN.
1.4. Choix de la solution adopter
Aprs chiffrage des solutions en fonction du cot de la dmolition et de mise en uvre du
bton, du droctage ventuel, de la perte dactif lie la baisse de la RN et de la prcontrainte
prvoir, une recommandation a t formule.
Il nest pas conseill dadopter la solution consistant baisser la RN de 0,7 m, puisque son
prix est plus lev et que louvrage envisag a des dimensions trop importantes. Les solutions
consistant diminuer la RN respectivement de 1 m et 1,5 m ne possdent pas une frontire
conomique trs marque. Il a nanmoins t recommand dadopter la solution visant
baisser la RN de 1,5 m puisquelle permet davoir un ouvrage dune taille plus
raisonnable , donc plus facile mettre en uvre et avec de meilleures certitudes quant au
rendement hydraulique (moins de problme dalimentation des alvoles). Ces rsultats seront
transmis un laboratoire dhydraulique, en vu de confirmer les conclusions sur modle rduit.
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2. Programme de prdimensionnement des PKW
2.1. Dfinition du besoin
Compte tenu de la multiplication des projets o un recalibrage de lvacuateur de crues est
ncessaire et o lemploi du PKW serait conomiquement intressant, jai conu un
programme facilitant le prdimensionnement dun tel ouvrage.
Une premire partie, appele prdimensionnement hydraulique , permet dobtenir la
gomtrie du PKW en fonction de deux modles. Une deuxime, permet lutilisateur, de
choisir sa guise la gomtrie lui convenant le mieux, dobtenir le volume de bton
ncessaire la construction et de connatre le torseur quivalent rsultant des efforts appliqus
sur le PKW afin de procder la vrification de la stabilit sur STABET.
2.2. Les deux modles utiliss
Le prdimensionnement hydraulique sera effectu grce deux modles que jai dvelopps
partir des rsultats dessais raliss en laboratoire, au Vietnam.
Le modle N=5 (qui implique un nombre dalvoles limit) sera plutt privilgi pour des
dbits spcifiques faibles et quand les alvoles de lautre modle seront trop troites. Le
modle N=7 qui est systmatiquement plus conomique, sera lui privilgi pour des dbits
spcifiques plus importants. Il implique un nombre dalvoles suprieur pour une hauteur de
PKW moindre.
Aprs une tude de comportement de la courbe dvolution du dbit spcifique qs, en fonction
du rapport entre la hauteur de la lame deau H et la hauteur du PKW P, jai dfini les deux
modles suivants:
2.3. Fonctionnement du programme
Pour chacun des deux modles dfinis ci-avant, les caractristiques gomtriques du PKW
sont fournies avec une vue en plan et une coupe qui sont gnres automatiquement. Par la
suite, lutilisateur peut se servir des deux modles comme guide pour son projet, mais il peut
galement faire le choix de scarter des solutions proposes. Le reste du programme lui
permet dobtenir le volume prcis de bton ncessaire la mise en uvre de son PKW et le
torseur des efforts sappliquant sur celui ci.
Le logiciel a t test sur deux projets de PKW dj tudis par EDF. On remarque une
grande similitude pour les rsultats obtenus sur le modle de type N=5. Finalement, la
ralisation du programme a permis de prendre conscience que loptimum conomique ne
rsidait pas forcment dans la ralisation dalvoles de grandes dimensions (type N=5), mais
quil tait possible de mettre en uvre des PKW de plus petite taille avec un nombre
dalvoles multipli, pour un moindre cot (N=7). Loptimum sera choisir en fonction des
contraintes du site sur lequel est envisage la construction du dversoir.
3. Conclusions et perspectives Le dimensionnement dun PKW nest pas un exercice ais du fait dun nombre de paramtres
levs est dun faible retour dexprience. La solution technique et conomique la plus
intressante pour le dficit dvacuation de crues du barrage de Malarce, est la combinaison
dun PKW denviron 4 m de hauteur et dune diminution du niveau de la retenue normale de
1,5 m. Pour des problmes de stabilit, il sera ncessaire demployer des tirants actifs.
Le programme de prdimensionnement a t vrifi et valid sur des ouvrages existants, il
permet de connatre la solution la mieux adapte pour deux configurations de PKW
diffrentes.
2/3
2399.0
5 .2..9494,0 HgP
HqsN
=
= 2/33725,0
7 .2..0304,1 HgP
HqsN
=
=
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Vue arienne du site de Malarce
Vue du barrage de Malarce depuis laval Vue de la retenue cre par le barrage
Barrage
Rivire Chassezac