Brevet FR2496729A1 — publié le 19820625

DEVERSOIR DE BARRAGE I'invention concerne les déversoirs destinés aux ouvrages hydrotechniques et a notamment pour objet les déversoirs de barrages, dans lesquels l'eau passe du bief amont au bief aval en s'écoulant par dessus la crête du barrage. L'invention est utilisable pour aérer l'eau pendant son passage à travers l'ouvrage hydrotechnique, à dissiper l'énergie cinétique du courant d'eau en circulation, a saturer liteau en oxygène et/ou à la débarrasser des impuretés susceptibles d'être éliminées par flottation et/ou d'oxydation. On connait des déversoirs de barrages réalisés sous forme de canaux découverts ou couverts reliant les bassins d'eau en amont et en aval du barrage et équipés de dissipateurs de l'énergie cinétique du courant d'eau. Du fait que les déversoirs sont équipés dp dissipateurs d'énergie, ils peuvent remplir non seulement leur fonction principale qui consiste à organiser le passage du débit nécessaire d'eau du bief amont au bief aval mais aussi prévenir la dégradation graduelle des parois du déversoir et du fond du bief aval par le courant d'eau. En règle générale, on installe des déversoirs munis de dissipateurs d'énergie du courant sur des barrages de retenue construits dans les bassins d'eau courante et destinés à maintenir une élévation relativement faible du niveau dans le bassin d'eau en amont du barrage dans le but d'assurer, par exemple, la sécurité de la navigation. Du fait que la différence entre les niveaux des biefs amont et aval du barrage est relativement faible, il n'est pas avantageux de l'utiliser, notamment du point de vue économique, pour la production d'énergie électrique. En meme temps1 la différence de niveau est nuisible, en ce qui concerne l'organisation du passage de l'eau du bief amont au bief aval, car la pression cinétique d'eau engendrés par cette différence provoque une dégradation progressive des parois du déversoir disdosées au voisinage du bief aval et du fond du bief aval. Pour prévenir ces dégradations, on a recours, dans des conceptions connues, à la dissipation de la pression cinétique de l'eau de circulation. A cet effet, on installe, dans les secteurs de sortie du déversoir, des dissi-steurs d'énergie cinétique du courant réalisés soit sous forme de petites piles de mauvaise forme aérodynamique provoquant de grandes nertes pendant l'écoulement d'eau, soit sous forme d'une grille divisant le courant en ,ets distincts dont la collision dissipe de l'énergie cinétique du courant, soit sous forme de chenaux divergents installés sur des piles convergentes où la dissipation de l'énergie se produit à l'aide des deux mécanismes utilisés dans les deux premières solutions. Mais dans ces déversoirs connus, on n'utilise pas absolument l'énergie de la pression cinétique de l'eau de circulation et elle est perdue irrémédiablement On connait aussi des dispositifs destinés à aérer lieau dans les bassins d'eau, réalisés sous forme d'un système de tubes percés d'orifices et posés prés du fond du bassin d'eau.A travers ces orifices, de l'air débouche dans les couches situées près du fond du bassin d'eau. Le mélange eau-air sous une pression supérieure à la pression dans les couches pries du fond du bassin d'eau est refoulé soit à l'aide d'un mélangeur dans lequel l'air et l'eau sont respectivement refoulés par un ventilateur et une pompe, soit à l'aide d'un éjecteur d'eau et d'air, dans lequel l'air est entrainé par l'eau refoulée par la pompe. Mais, pour refouler l'air, il faut dépenser de l'énergie pour entrainer la pompe et le ventilateur. Le fonctionnement continu de ces dispositifs sur une période de temps déterminée, par exemple une année, entraine une consommation d'énergie considérable. En outre, ces solutions ne possèdent pas des performances constructives permettant de les utiliser en tant que déversoir de barrage. On connait un déversoir de barrage, destiné à permettre a l'eau de circuler d'un bief amont ou bief aval en s'écoulant par la crête, comportant une chambre de mélange , disposée verticalement et dont la section d'entrée de laquelle est ouverte à l'atmosphère et reliée d un diffuseur installé horizontalement. Pendant que l'eau passe k travers ce déversoir, le courant incident d'eau peut entrainer avec lui de l'air dans la chambre de mélange a travers la section d'entrée de la chambre de mélange débouchant à l'atmosphère. Dans cette chambre, une certaine partie de l'énergie cinétique de l'eau est transmise d l'air. Grâce \ cette utilisation de l'énergie cinétique de l'eau résultant de la transformåtion de la différence de niveau des biefs amont et aval, on a assuré dans ce dispositif connu, l'aération de l'eau simultanément avec sa circulation a travers le barrage, ce qui contribue à sa saturation en oxygène. Toutefois, dans le dispositif connu, l'eau tombe dans la chambre de mélange en un Jet unique. En conséquence, la surface de séparation entre l'air et l'eau, qui entraîne l'air, est relativement petite. De ce fait, le débit d'air aspiré par le courant d'eau est petit et, par conséquent, le taux de saturation de l'eau en oxygène est faible. Par suite d'un faible débit d'air dans le dispositif connu l'efficacité de la dissipation de l'énergie cinétique de l'eau qu'on réalise en mélangeant l'air avec l'eau est aussi faible. On s'est donc proposé de mettre au point un déversoir du barrage dont la construction per- mettrait d'élever le débit d'air entrant en contact P 11 eau circulant par le barrage et d'assurer ainsi, pendant le passage de l'eau, une dissipation plus efficace de l'énergie cinétique du courant d'eau, un plus haut taux de saturation de l'eau en oxygène ainsi que de débarrasser l'eau de toutes les genres d impuretés pouvant être éliminées par effet de flottation et d'o2yda- tion. Le problème posé est résolu a l'aide d'un déver soir du barrage, pour le passage de l'eau du bief amont au bief aval par la créte du déversoir, ayantun canal qui comporte une chambre de mélange disposée verticalement, dont la section d'entrée communique avec l'atmosphère, et reliée à un diffuseur horizontal caractérisé notamment en ce que la chambre de mélange possède un dispositif de prise qui assure la formation d'une zone de flottation en aval du diffuseur et comporte un séparateur de courant d'eau disposé au-dessus de la chambre de mélange et exécuté sous forme d'une grille formée de chenaux, une grille brise-eau, montée transversalement dans le secteur d'entrée de la chambre de mélange et constituée par des éléments de mauvaise forme aérodynamique, et des orifices d'admission d'air pratiqués dans la paroi de la chambre de mélange audessous de la grille brise-eau et au voisinage immédiat de celle-ci, et en ce qu'un collecteur d'écume est disposé en aval de la zone de flottation à la surface du bief aval. Pour élever le taux d'épuration de l'eau en impuretés sujettes à flottation et le taux de saturation de l'eau en oxygène d'une partie excédentaire du débit d'eau, circulant en dehors de la chambre de mélange, il est avantageux de prévoir, dans le déversoir du barrage, une chambre de séparation d'air, dont la paroi supérieure est reliée à la paroi supérieure du diffuseur par un gradin et qui est perforée pour organiser la zone de flottation audessûs d'elle, et de relier un volet troué à la sortie de la chambre de séparation d'air, à la paroi supérieure de celle-ci, par des moyens permettant de changer la position du volet. Pour assurer un fonctionnement satisfaisant de longue durée du déversoir, on prévoit avantageusement dans celui-ci des canaux auxiliaires équidistants du canal principal, dont chacun d'eux comporte une chambre de mélange munie d'un dispositif de prise reliée au diffuseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven tion seront mieux compris \ la lecture de la description d'un exemple de réalisation en se référant aux dessins annexés sur lesquels. la figure I représente une conception du déversoir du barrage en coupe longitudinale conformément k l'invention; la figure 2 donne une coupe suivant la ligne II-II sur la figure I, la figure 3 représente une conception de la chambre de séparation d'air en coupe longitudinale, selon l'4n- vention; la figure 4 représente une conception du déversoir a deux canaux en coupe longitudinale, selon l'invention. Le déversoir revendiqué est exécuté dans le corps du barrage 1 (figure I) séparant les biefs amont 2 et aval 3 et muni d'une vanne 4, qui est disposée k la crete 5 du barrage I entre les piles 6. Le canal du déversoir comporte une chambre de mélange 7, disposée verticalement reliée Droqressivement par coude 8 a un diffuseur disposé horizontalement 9. La chambre de mélangeage 7 possède un dispositif de prise assurant la formation d'une zone 10 de flottation derrière le diffuseur 9 dans le bief aval 3. A la fin de cette zone, on a installé un collecteur d'écume 11. Le dispositif de prise comporte un séparateur 12 du courant d'eau, une grille brise-eau 13 et des orifices d'admission d'air 14. Le séparateur 12 du courant d'eau est monté audessus de la chambre de mélange 7. La grille briseeau 13 est installée au-dessous de celui-ci dans la section d'entrée de la chambre de mélange 7. les orifices de prise d'air 14 sont pratiqués dans la paroi de la chambre de mélange. 7 orientée vers le bief aval 3 au-dessous de la grille brise-eau 13 au voisinage immédiat de celle-ci. Le séparateur 12 (figure 2) est exécuté sous forme d'une grille constitué par des chenaux qui sont disposés suivant le courant dteau et inclinés vers le bief aval 3 tandis que 'a grille brise-eau 13 est fabriquee eri élémeXlts de maivais profil aérodynami que, par exemple, en beurres de section carrée. Il est possible de rentier au diffuseur 9une chambre de séparation d'air 15 (figure 3) disposée dans la zone de flottation 10. Ta chambre de séparation d'air 15 est formée par le fond 16 du bief aval 3 et un panneau 17, disposé horizontalement et rélié au diffuseur 9 de manière s former un gradin 18. Le panneau 17 est perforé d'orifices 19. Un volet perforé 20, dont la position peut être réglée, est accouplé k l'extrémité de sortie du panneau 17. le déversoir, réalisé, selon la conception revendiquée, peut être exécuté non seulement sous forme d'un canal mais encore sous forme de deux canaux d'un seul type équidistants. Selon cette variante du déversoir, le séparateur 12 (figure 4) du courant d'eau et la grille brise-eau 13 sont communs aux deux canaux. Chacun des canaux comprend des orifices de prise d'air 14, une chambre de mélange 7, reliée au diffuseur 9 nar un coude 8. Dans les orifices 14 pour la chambre de mélange 7, disposée la nlus près du bief amont 2, l'air arrive par les canaux d'amenée d'air 21 prévus dans le corps du barrage I. Du bief aval 2 (figure I), l'eau a évacuer, dont le débit est réglé par la vanne 4, s'écoule par la crête 5 du barrage I et parvient au séparateur 12 du courant d'eau. La dimension des chenaux formant le séparateur 12 (figure 2) ainsi que le rapport entre la dimension des chenaux et la largeur de la fente entre lesdits chenaux sont choisies de manière que si le débit réel d'eau a dépassé le débit calculé d'eau passant par le barrage I, le séparateur 12 (figure I) divise le débit réel en deux parties: une partie du débit réel égale au débit calculé nasse par la section d'entrée de la chambre de mélangeage 7 alors que l'autre partie, excédentaire, du débit réel coule par les chenaux du séparateur 12 immédiatement dans le bief aval 3 sans pénetrer dans la chambre de mélangeage 7. La partie du débit d'eau qui est envoyée par le séparateur 12 dans la chambre de mélange 7 tombe sur la grille brise-eau 13 installée en aval du séparateur 12 transversalement au courant d'eau dans le secteur d'entrée de la chambre de mélange 7. Grâce k ce que la grille brise-eau 13 est constituée par des éléments de mauvaise forme aérodynamique le courant, qui passe par celle-ci, se trouve fragmenté en un grand nombre de Jets et de gouttes distincts.Grâce 3 l'augmentation notable de la surface de séparation entre les phases liquide et gazeuse en aval de la grille brise-eau 13, les jets et les gouttes d'eau tombant sur la chambre de mélange , disposée verticalement, entrainent avec eux une quantité sensiblement plus élevée d'air aspiré de l'atmosphère a travers les orifices 14 pratiqués dans la paroi de la chambre de mélange 7 au-dessous de la grille brise-eau 13.Etant donné que le séparateur 12 fournira S la chambre de mélange 7 un débit constant d'eau voisin du débit calculé de l'eau passant par le barrage I, le rapport entre les surfaces élémentaires des sections transversales des jets d'eau et de l'air dans la chambre de mélange 7 et, par conséquent, la surface de la section transversale de la chambre de mélange 7 peuvent être choisies de manière que la chambre de mélange 7 assurera un débit constant d'air, entrainé dans celle-ci, voisin du débit maximal possible d'air pour un débit calculé d'eau. En auqmentant la surface de la séparation des phases en aval de la grille brise-eau 13, on améliore aussi le contact de l'eau avec l'air dans la chambre de mélange 7, autrement dit, on X intensifie le processus d'aération de l'eau. Cette particularité et aussi le débit augmenté d'air dans la chambre de mélange 7 favorisent le déroulement des processus intensifs de saturation d'eau en oxygène (dissolution de l'oxygène de l'air dans l'eau) et d'oxydation des impuretés contenues dans l'eau qui sont éliminées par oxydation. En se déplaçant par gravité vers le bas les jets d'eau auq.men- tent leur vitesse dans la chambre de mélange 7.En même temps, les jets d'eau, en se mélangeant avec de l'air, augmentent aussi la vitesse de l'air entra mué avec eux, en communiquant ainsi a l'air, une certaine quantité énergie cinétique de l'eau. Formé dans la chambre de mélange 7, le mélange eau-air arrive dans le coude 8 dans lequel la direction du courant passe progres-sivement de la direction verticale à la direction horizontale. Grâce w la forme à variation lente , du coude 8, le changement de la direction du courant s'effectue avec des pertes d'energie minimale.Du fait que le mélange eau-air est un fluide compressible, le choc du courant du mélange, eau-air contre la paroi inférieur du coude 8 affaiblit sensiblement le processus de déterioration graduelle de cette paroi. Du coude 8, le mélange eau-air arrive au diffuseur 9 dans lequel s'effectue le freinage du courant de mélange eau-air. C'est ainsi qu'on obtient la dissipation de l'énergie cinétique de ce courant. En résultat, le processus de dégradation du fond du bief aval 3 au voisinage de la sortie du courant du déversoir décroit notablement. Il convient de noter que la partie principale de l'énergie cinétique du courant de mélange eau-air n'est pas perdue pendant le freinage dans le diffuseur 9 et se transforme en énergie de la pression de ce courant. En conséquence, la pression statique du courant de mélange eau-air dans la section de sortie du diffuseur 9 (et de l'air qui se trouve dans ce courant) s'élève et devient supérieure qla pression atmo- sphérique. En partant de cette condition, il est possible d'abaisser la section de sortie du diffuseur 9 à une profondeur correspondante dans le bief aval 3 et d assurer l'amenée d'air a cette profondeur. Les processus de saturation de l'eau en oxygène et les processus d'élimination des impuretés par oxydation continuent dans le coude 8 et dans le diffuseur 9. Ainsi , le processus de saturation dans le diffuseur 9 s'intensifie du fait que la quantité d'oxygène dissous dans l'eau croit proportionnellement a l'augmentation de la pression statique.Du diffuseur 9, le courant freiné de mélange eau-air débouche dans les couches situées près du fond du bief aval 3 où se forme la zone de flottation 10. Les bulles d'air se trouvant dans le mélange eau-air entraient avec ellesles impuretés contenues dans l'eau et sujettes a la flottation k la surface du bief aval 3. Dans la zone de flottation 10, les bulles d'air entratnées par l'eau du diffuseur 9 percent aussi la partie excédentaire du débit d'eau qui est dirigée par le séparateur 12 immédiatement vers le bief aval 3 et s'écoule sans pénétrer dans la chambre de mélange 7. Cette partie du courant d'eau est débarrassée également des impuretés flot tables et saturée partiellement d'oxygène. Formée à la surface du bief aval 3 a la suite de flottation, l'écume est accumulée avec les impuretés extraites de l'eau par le moyen II et est évacuée du bassin d'eau. C'est ainsi qu'on réalise simultanément l'oxydation et l'épuration de l'eau passant par le barrage I. L'eau épurée circulant au-dessous du collecteur d'écume Il contient encore de très petites bulles d'air que le courant peut entrainer avec lui du barrage 4 des distances notables.Ces bulles assurent, avec l'oxygène dissout dans l'eau, le retablissement et le maintien de la aptitude biologique du milieu aqueux k l'auto-épuration. Pour élever le taux d'épuration de l'eau des impuretés flottables et le taux de saturation d'oxygène de la partie excédentaire du débit d'eau circulant k l'extérieur sans entrer dans la chambre de mélange 7, il est possible d'élargir la zone de flottation 10 (figure 3) en plaçant, en aval du diffuseur 9, la chambre de séparation d'air 15 avec le panneau supérieur perforé 17. Le gradin 18 se trouvant 9 la partie supérieure de la chambre de séparation d'air 15 forme une zone de décollement du courant de mélange eau-air débouchant du diffuseur 9. Dans la zone de décollement, l'air est séparé du courant de mélange eau-air.Sous l'action de la pression excédentaire, créée dans la chambre de séparation diaia 15 par le diffuseur 9, l'air est chassé de la zone de décollement a travers les orifices 19 du panneau 17 sous forme de petites bulles dans le courant de la partie excédentaire du debit d'eau circulant audessus du panes 17. 11 s'ensuit que la zone de flottation 10 se trouve élargie de la longueur de la chambre de séparation d'air 15. Xn outre, la dimension des bulles d'air pénetrant dans la partie excédentaire du débit d'eau peut être imposée d'une manière arbitraire en choisissant la dimension des orifices 19 du panneau 17.Ces deux particularités permettent d'assurer des conditions optimales pour l'élevation du taux d'épuration des impuretés et du taux de saturation en oxygène de la partie excédentaire du débit d'eau. En changeant la position du volet 20, il est possible de régler la pression dans la chambre de séparation d'air 15 pour assurer des conditions optima les pour son fonctionnement. Au cas où la durée de fonctionnement du déversoir avec débit réel dépassant la valeur calculée peut constituer un part notable du temps de fonctionnement du déversoir, il est avantageu de le constituer par deux canaux de type identique (figure 4). Dans ce cas, le canal, se trouvant plus près du bief amont 2 est conçu pour le débit calculé d'eau alors que l'autre canal sera destiné a la partie excédentaire déterminée du débit d'eau. belon cette conception, les avantages obtenus dans cette solution pour la partie du débit d'eau égale à la valeur calculée seront également as surés pour la partie excédentaire du débit d'eau. Le déversoir, selon la conception revendiquée, permet d'utiliser, pendant le processus de passage de l'eau du bief amont 2 (figure I) au bief aval 3, l'énergie cinétique de liteau tombant de la crête 5 du barrage I pour augmenter notablement le débit d'air entrant en contact immédiat avec l'eau en circulation. En éleventle débit de cet air dans le déversoir, réalisé selon cette conception, on assure une dissipation plus efficace de l'énergie cinétique de l'eau passant par le barrage, on augmente la quantité d'oxygène dans l'eau et on diminue la quantité dans l'eau d'impuretés supprimées par oxydation et d'impuretés sujettes à l'épuration par flottation. REVENDICATION5 1. Déversoir de barrage permettant le passage de l'eau d'un bief amont à un bief aval par la crete du déversoir, ayant un canal qui comporte une chambre de mélange (7), disposée verticalement, dont la section d 'entrée communique avec l'atmosphère, et reliée à un déversoir horizontal, caractérisé en ce que la chambre de mélange (7) possède un dispositif de prise qui assure la formation d'une zone de flottation (10) en aval du diffuseur et comporte un séparateur de courant d'eau (12) disnosé au-dessus de la chambre de mélange, exécuté sous forme d'une grille formée de chenaux, une grille brise-eau (13) montée transversalement dans le secteur d'entrée de la chambre de mélange et constituée par des éléments de mauvaise forme aérodynamique. et des orifices d'admission d'air (14) pratiqués dans la paroi de la chambre de mélange au-dessous de la grille brise-eau (13) et au voisinage immédiat de celle-ci et en ce qu'un collecteur d'écume (11) est disposé en aval de la zone de flottation à la surface du bief aval. 2. Déversoir du barrage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de séparation d'air (15), dont la paroi supérieure est reliée à la paroi supérieure du diffuseur par un gradin (18) et est perforée pour organiser la zone de flottation audessus d'elle, un volet troué (20) étant relié à sa paroi supérieure de telle façon que sa position à la sortie de la chambre de séparation d'air puisse etre modifiée. 3. Déversoir du barrage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs canaux auxiliaires sensiblement parallèles à un canal principal, chacun desdits canaux comportant une chambre de mélange munie d'un dispositif de prise et reliée au diffuseur.