Brevet FR2688525A1 — publié le 19930917

VANNE DE MODULATION DU DEBIT D'UN COURS D'EAU. L'invention concerne une vanne destinée à moduler le débit d'un cours d'eau, notamment au niveau de chutes, de rapides, et de manière générale au niveau d'une déclivité, et plus particulièrement destinée à l'aménagement de stades d'eaux vives, en d'autres termes de rivières pour la pratique de sports tels que le canoe- kayak, le "rafting", etc.. On connait actuellement différents dispositifs permettant de moduler le débit sur un cours d'eau, créant ainsi une chute. Le plus utilisé est constitué par un clapet, articulé à sa base, et susceptible de présenter un débattement en direction de l'aval du cours d'eau, d'une position obturant ledit cours d'eau, à une position minimum, permettant ainsi de faire varier le débit. Néanmoins, ce type de clapet présente un certain nombre d'inconvénients pour la pratique des sports mentionnés précédemment. Tout d'abord, du fait même de son fonctionnement, il crée juste en aval de la vanne une turbulence très importante, inhérente à la chute d'eau déversante générée au dessus de cette vanne. Cette conséquence du fonctionnement de ce type de vanne rend la pratique de sports d'eaux vives prévoyant le passage au dessus de celle-ci particulièrement risquée, voire impossible dans certains cas. En outre, compte tenu d'une part de la pression, générée par l'écoulement de l'eau, à laquelle un tel clapet est soumis, et d'autre part de la présence de la seule pression atmosphérique au-dessous du clapet, ce dernier implique pour son activation dans le plan du cours d'eau, des mécanismes puissants et robustes, et partant relativement onéreux. On connait également d'autres dispositifs de vannage constitués par deux plaques articulées entre elles au niveau de l'un de leurs bords latéraux, pour réaliser une barrière en forme de toit, la plaque amont étant elle-même articulée à sa base, comme pour le clapet précédemment décrit. Un tel dispositif, compte tenu de l'articulation des plaques entre elles, présente différents positionnements possibles, fonction de l'inclinaison donnée à la plaque amont. Ainsi, lorsque la vanne obture le cours d'eau, l'angle au sommet des deux plaques est faible, en revanche, lorsque l'on ouvre l'angle de débattement de la plaque amont en direction de l'aval, au contraire, l'angle au sommet augmente jusqu'à atteindre presque la valeur de 1809 pour la vanne complètement ouverte. Avec un tel dispositif, on ne peut maîtriser aisément, pour divers débits, le ressaut hydraulique aval très fort, particulièrement lorsque le niveau aval est bas. En outre, l'angle constitué par les deux plaques génère un décollement de l'écoulement, qui induit de fait un coefficient de débit faible au droit de la vanne, et partant des pertes de charges importantes, limitant de fait les possibilités d'application d'une telle vanne, notamment pour le cas de basses chutes, avec écoulements noyés, associés à des débits souvent insuffisants, dans le cadre des aménagements de rivières pour la pratique de sports d'eaux vives. L'invention vise à pallier ces différents inconvénients. Elle vise notamment un système de vanne, permettant de passer différents débits en aval, en maintenant néanmoins un coefficient de débit très élevé et en maîtrisant la section contractée d'écoulement, c'est à dire la section mouillée la plus faible au niveau de l'extrémité aval de la vanne, sans pour autant générer en aval de la vanne, c'est-à-dire en aval de la chute, un ressaut hydraulique propre à induire d'importants courants de retour, et/ou en améliorant les débits maximaux dans des conditions d'écoulement noyé. Cette vanne pour régler les débits dans un cours d'eau, notamment au niveau d'une déclivité, constituée par un élément à structure spatiale s'étendant en travers dudit cours d'eau et articulé à sa base au fond de celui-ci, définissant de la sorte une face amont et une face aval, se caractérise en ce que ledit élément est dirigé vers l'amont du cours d'eau, et est susceptible d'être orienté selon un débattement variant d'une position limitée inclinée, obturant ainsi l'écoulement, à une position partiellement escamotée en fonction du débit désiré. En d'autres termes, l'invention consiste à munir un cours d'eau au niveau d'une chute, d'une vanne, d'abord constituée d'un élément non dirigé vers l'aval comme la plupart des dispositifs connus à ce jour, mais au contraire dirigé vers l'amont qui, comme il sera décrit ultérieurement, permet d'aboutir à un écoulement bien contrôlé au niveau notamment de la face aval dudit élément, et générant en bas de la déclivité, un ressaut ondulé non créateur de courants de retour amont, et en outre de disposer d'un débit plus important, compte tenu des pertes de charge moindres, et de la maîtrise complète de la section contractée, notamment dans des conditions d'écoulement noyé. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'extrémité libre de l'élément est recourbée vers le bas. De la sorte, on a ainsi pu assurer une diminution du freinage exercé par l'élément sur l'écoulement d'accès, et partant, une optimisation du coefficient de débit, favorisant de la sorte l'obtention d'un écoulement stable, vers des débits maximaux plus élevés, résultat très important notamment pour les basses chutes, très souvent marquées par des conditions d'écoulement noyé. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'élément constitutif principal comporte à sa base et sur la face aval, c'est-à-dire au niveau de son lieu d'articulation, un becquet, orienté sensiblement perpendiculairement par rapport au plan général défini par ledit élément, et dont l'extrémité en saillie est raccordée sur ladite face, au niveau de l'extrémité libre et notamment recourbée dudit élément, selon un profil incurvé, de concavité dirigée vers l'aval. Un tel profil permet d'améliorer le coefficient de débit et de maîtriser la section contractée, dans la mesure où il impose une vitesse d'écoulement plus grande. Cet écoulement bien dirigé est fondamental pour obtenir un ressaut hydraulique "de bonne qualité" au niveau du bas de la déclivité, c'est à dire un ressaut ondulé avec des courants de surface bien dirigés vers l'aval. Avantageusement, cette vanne est montée juste en amont d'un bassin de dissipation, propre à favoriser la qualité du ressaut aval, et comporte en amont de son axe d'articulation, un support amont, au niveau duquel vient s'appuyer une portion plane ménagée en extrémité de la portion recourbée de ladite vanne, et éventuellement muni d'un seuil amont, destiné à faire obstacle aux corps charriés par le cours d'eau vers la vanne, notamment au niveau du radier du canal d'amenée. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une coupe schématique représentative de la vanne conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique de la vanne en place sur un cours d'eau conformément à l'invention. Selon l'invention, et en se reportant à la figure 1, la vanne caractéristique (I) est constituée par un élément structurel spatial, s'étendant en travers du cours d'eau, dont on désire régler le débit et par exemple au niveau d'une chute, d'un rapide, et de manière générale, d'une déclivité. Selon l'invention, cet élément structurel est articulé à sa base aval (2) au niveau d'un axe d'articulation (3), également situé transversalement par rapport au sens d'écoulement de l'eau. Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, cette vanne (1) est dirigée en direction de l'amont, c'est-à-dire à contre-courant par rapport au sens d'écoulement de l'eau, matérialisé par la flèche. En outre, l'extrémité libre de ladite vanne est recourbée (4) vers le bas, ceci étant corrélé avec l'abaissement maximum possible du niveau amont, de manière à éviter tout risque de pénétration de corps flottant, et donc de canoë ou kayak sous la partie supérieure de la vanne. Cette portion recourbée (4) permet ainsi de réduire la résistance opposée par ladite vanne au courant d'accès, et partant, élimine le décollement de celui-ci par rapport au plan général de la vanne. Ce faisant, on optimise le coefficient de débit, jusqu'à des valeurs importantes proches de 0,49, ayant pour conséquence la possibilité d'atteindre des débits maximaux plus élevés, notamment pour de faibles chutes et des conditions d'écoulement noyé. Selon une autre caractéristique fondamentale de l'invention, la base (2) de la vanne proche de l'axe d'articulation, présente un becquet (5), dirigé sur la face aval (6) de ladite vanne, selon toute sa largeur, et raccordée à la portion recourbée (4), par une portion de raccordement (8), dont la concavité est dirigée vers l'aval. Cette structure particulière permet ainsi d'une part, d'améliorer le coefficient de débit pour toutes les positions d'ouverture de la vanne, dans la mesure où, au niveau de la portion définie par le profil de raccordement (8) et le becquet (5), il induit une vitesse supérieure de l'écoulement au pied de la vanne, en maintenant la section contractée fixée, et partant, des débits supérieurs.Ce faisant, il favorise la formation d'un écoulement de surface à l'aval immédiat de ladite vanne, générant de la sorte, pour toutes les valeurs de débit, un ressaut hydraulique ondulé de bonne qualité, dénué de tout rouleaux de retour amont, dangereux notamment pour la pratique du canoé-kayak. Ainsi, cette vanne est parfaitement franchissable par les canoëistes, jusqu'à un seuil minimum de débit, accompagné par une épaisseur de lame d'eau déversante encore compatible avec les critères de flottement des canoës et autres kayaks. En outre, on peut adapter avantageusement l'importance du becquet (5) et du profil courbé (8) en fonction de la dénivelée de la chute, de la profondeur du niveau aval et également de la gamme de débits souhaités. Enfin, de par la présence du becquet, on maîtrise parfaitement la position de la section contractée au pied même de la vanne, permettant ainsi de pouvoir disposer en aval de la vanne d'un écoulement de surface dirigé vers l'aval, particulièrement avantageux dans le cadre d'aménagements de rivières pour la pratique du canoé-kayak, et de manière générale de stades d'eaux vives, avec les franchissements courants de la vanne. Ces différentes caractéristiques favorisent donc l'obtention en aval d'une chute et de manière générale d'une déclivité aménagée avec une telle vanne, d'un ressaut hydraulique favorable à la pratique du canoé-kayak, et d'un débit plus élevé en aval, dès que les conditions d'un écoulement noyé surgissent, et partant nettement avantageux par rapport aux résultats obtenus dans les mêmes conditions avec les clapets et autres dispositifs équivalents connus à ce jour. Avantageusement, la vanne est associée à une came (9) coaxiale avec l'axe d'articulation (3), ladite came étant actionnée par un vérin (10), solidaire d'un bâti externe latéral (11). De la sorte, on peut actionner le débattement de la vanne entre deux positions extrêmes: - une première position maximum représentée en traits fins sur la figure 1, et destinée à permettre l'obturation de l'écoulement; - et une position minimum, représentée en traits plus épais sur la même figure 1, correspondant aux conditions de débit maximum du cours d'eau. Dans cette dernière position, la vanne (1) s'appuie par une portion plane (12) de l'extrémité recourbée (4) sur un support (13), ménagé au niveau du radier (14) d'aménagement de ladite vanne. De fait, et dans cette position minimum, le vérin (10) n'est soumis à aucun effort, si ce n'est le simple maintien de la vanne dans cette position. Corrélativement, dans chaque position intermédiaire, y compris dans la position fermée au maximum, compte tenu de la direction de la vanne vers l'amont du cours d'eau, celle-ci est toujours soumise à une pression inférieure ascendante dite "sous pression" due à l'eau s'engouffrant sous la vanne. Celle -ci n'est donc pas soumise à un effort trop important, de sorte que le vérin (10) peut être dimensionné de manière plus petite et partant, induire un coût moindre. En outre, cette sous-pression existant sous la vanne génère un "matelas" élastique, amortissant de manière efficace les éventuelles vibrations de la vanne ouverte, en positions intermédiaires, aux moments des décharges de débits, et améliorant aussi, de manière significative, son comportement longitudinal. Avantageusement, le radier (14) comporte également une canalisation de dévasage (15), situé juste en amont de l'axe d'articulation (3), reliée à une pompe ou système de décharge gravitationelle équivalent, et destinée à évacuer les vases et autres produits équivalents en suspension dans le cours d'eau, et déposés en dessous de la vanne. Afin d'éviter tous les phénomènes de charriage en dessous de la vanne, le radier (14) peut être complété à l'amont par un seuil (17), faisant saillie par rapport au fond du canal d'amenée. En outre, le radier (14) comporte juste en aval de la vanne, un bassin de dissipassion (16), qui est profilé particulièrement en association avec le profil particulier (8) de la vanne et la cote du becquet (5), favorisant la création d'un écoulement de surface vers l'aval, avec un ressaut ondulé de "bonne qualité", et donc franchissable par les canoëistes, arrivant par dessus la vanne en toute sécurité. On a représenté sur la figure 2 la vanne (1) en place au niveau d'un cours d'eau, dont le sens d'écoulement est de la gauche vers la droite comme matérialisé par les flèches, la lettre Q représentant le débit d'écoulement au dessus de la vanne. Compte tenu d'une part de l'orientation amont de la vanne et de son ouverture vers l'amont, on obtient de fait un écoulement bien contrôlé audessus de la vanne pour toute valeur de débit, particulièrement avantageux pour la pratique du canoe-kayak, et notamment lors du passage de canoëistes vers l'aval, au dessus de la vanne, mais également des autres sports connexes. En outre, le profil particulier recourbé du sommet (4) de la vanne, permet d'assurer des coefficients de débit majorés quelles que soient les débits transités, et donc, quelles que soient les positions ouvertes de la vanne. Ce profil recourbé permet en outre d'assurer un écoulement adhérant au-dessus de ladite vanne, sans engendrer de décollement et partant, sans engendrer de perturbations importantes au niveau des pressions dynamiques de contact. En outre, l'articulation aval fixe de la vanne permet de bien figer au pied de la vanne la section contractée de l'écoulement aval et de la contrôler, et par conséquent, de contrôler la qualité du ressaut hydraulique vis-à-vis des contraintes de sécurité exigées par les canoéistes qui franchissent la vanne ouverte avec le courant se déversant par dessus. Une telle vanne s'avère donc d'une utilisation particulièrement avantageuse en liaison avec la réalisation de stades d'eaux vives. REVENDICATIONS 1/ Vanne (1) de réglage du débit d'un cours d'eau constituée par un élément structurel spatial (1) s'étendant en travers dudit cours d'eau et articulé (3) à sa base (2) au fond de celui-ci, définissant de la sorte une face amont (7) et une face aval (6), caractérisée en ce que ledit élément (1) est dirigé vers l'amont du cours d'eau, et est susceptible d'être orienté selon un débattement variant d'une position limite inclinée ou proche de la verticale, obturant ainsi l'écoulement, à une position partiellement escamotée en fonction du débit désiré. 2/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité libre (4) de l'élément (1) constitutif de la vanne est recourbée vers le bas. 3/ Vanne selon l'une des revendications I et 2, caractérisée en ce que l'élément (I) présente au niveau de la base (2) et sur la face aval (6), un becquet (5), orienté sensiblement perpendiculairement par rapport au plan général dudit élément. 4/ Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'extrémité en saillie du becquet (5) est raccordée sur la face aval (6), au niveau de l'extrémité libre (4) dudit élément (I), selon un profil incurvé (8), de concavité dirigée vers l'aval. 5/ Vanne selon l'une des revendications I à 4, caractérisée en ce qu'elle est montée sur un radier (14), qui comporte en amont de l'axe d'articulation (3) de la vanne, un support (13), au niveau duquel vient s'appuyer une portion plane (12) ménagée en extrémité de la portion recourbée (4) de ladite vanne. 6/ Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le radier (14) présente en amont de la vanne un seuil (17), faisant obstacle aux matériaux charriés par le cours d'eau.