Brevet FR2792661A1 — publié le 20001027

Indication du domaine technique de l'invention. L'invention concerne la réalisation de barrages dans lesquels, contrairement aux techniques classiques (barrages poids, enrochements, voutes,...) les contraintes sont reportées sur un substratum mécaniquement résistant plus ou moins profond par l'intermédiaire de pieux placés dans des forages. Etat des techniques antérieures. L'invention concerne particulièrement la réalisation de barrages de faible hauteur sur les cours d'eau, dans des buts tels que: le maintien d'un niveau donné sur une partie du cours pour faciliter la navigation, l'irrigation ou plus généralement la dérivation d'une partie du débit, la production d'énergie (basse chute), l'amortissement des pointes de crues, la protection contre l'érosion, etc... Dans la plupart des cas, ces barrages doivent comporter des ouvertures de dimensions suffisantes pour permettre le passage des crues sans surélévation excessive du niveau d'eau. Le plus souvent ces ouvertures sont munies d'organes mobiles d'obturation qui permettent de faire varier progressivement la section offerte à l'écoulement en fonction du débit, de manière à conserver le niveau souhaité à l'amont. Ces organes mobiles sont par exemple des vannes levantes, vannes secteur, vannes toit ou des hausses articulées, des aiguilles, des structures souples gonflables,...On désigne usuellement de tels ouvrages par le nom de " barrages mobiles ". Dans l'état actuel des techniques ces barrages comportent le plus souvent une structure fixe et massive en enrochements, en terre, en maçonnerie ou béton solidement ancrée dans le terrain et se prolongeant si nécessaire sur les berges. Cette structure doit être assez lourde pour que le barrage résiste à la poussée des eaux lorsque la différence de niveau entre l'amont et l'aval est maximum. Les efforts résultant du poids de l'ouvrage et de la poussée de l'eau sont alors supportés par le terrain de fondation (barrages poids, à contreforts, en terre ou en enrochements), ou éventuellement en partie par les appuis latéraux (barrages voûtes). Comme il est fréquent que le lit se situe sur une couche d'alluvions ou de sédiments mal consolidés, couche reposant elle- même sur une roche en place ou sur des alluvions bien consolidées, les fondations du barrage doivent être assez profondes pour atteindre un terrain assurant stabilité et garantie contre les affouillements. Ces fondations profondes impliquent d'importants volumes de terrassement et de gros tonnages de maçonnerie ou d'enrochements. La réalisation de l'ouvrage nécessite alors la mise en oeuvre de matériels et d'approvisionnements lourds. Par ailleurs une dérivation totale ou partielle du cours d'eau est généralement nécessaire lors des travaux. Tout ceci a généralement de fortes répercussions fminancières, surtout pour des chantiers situés dans des zônes d'accès difficile. Exposé de l'invention. L'invention a pour but d'alléger la structure du barrage en reportant exclusivement contrairement aux techniques classiques, au moyen de pieux et de forages, les efforts sur un substratum résistant lorsqu'il existe à une profondeur raisonnable et ainsi de réduire l'importance du matériel à mettre en oeuvre lors de la construction. Pour cela l'invention associe deux techniques bien connues l'une dans le domaine des fondations, l'autre dans le domaine des turbines hydrauliques pour aboutir à une conception originale de barrage réalisable avec des intallations de chantier réduites. Le barrage consiste en une série de pieux verticaux ou peu inclinés alignés suivant le tracé en plan du barrage et encastrés dans le substratum à leur partie inférieure; les pieux sont prolongés au dessus du sol jusqu'à une cote supérieure à celle des plus hautes eaux, constituant ainsi les barreaux d'une grille en travers du lit du cours d'eau. Une telle grille, si ses barreaux sont assez rapprochés, engendre une perte de charge qui croit plus vite que la vitesse d'écoulement de l'eau, et dans certains cas elle peut constituer à elle seule un ouvrage retardateur de crues, sous réserve qu'une surélévation du niveau amont puisse être tolérée durant les crues. Mais le plus souvent il faut pouvoir agir sur la relation liant d'une part le débit que laisse passer le barrage et d'autre part la perte de charge correspondante. Dans ce cas les barreaux supportent des organes de fermeture mobiles et réglables. Chaque barreau sert alors d'axe de rotation à un volet (ou plusieurs volets superposés) constituant un organe de fermeture élémentaire qui, suivant son orientation, s'oppose plus ou moins à l'écoulement. Ces volets ont des dimensions telles que lorsqu'ils sont tous orientés simultanément en travers du lit, ils s'appuient les uns sur les autres pour former une paroi continue s'opposant à l'écoulement et le barrage est dit fermé. Inversement, lorsque les volets sont orientés dans le sens de l'écoulement ils n'opposent à celui- ci qu'une faible résistance et le barrage est dit ouvert. Le pivotement des volets fait varier de façon continue la section de passage offerte à l'écoulement comme ce serait le cas avec tout autre type de vanne, ce qui permet de maintenir le niveau d'eau amont à la valeur choisie tant que le débit n'excède pas le débit qui correspond à ce niveau en l'absence de barrage. Les volets ont le profil d'une aile épaisse pour offrir une résistance minimum à l'écoulement lorsqu'ils sont en position ouverte, tout en ayant une bonne résistance mécanique. Des joints d'étanchéité sont placés le long des lignes de contact entre les volets en position fermée, et entre les volets et le radier. La position de l'axe est légèrement décalée par rapport au milieu du volet pour que, en position fermée, la résultante des poussées hydrostatiques sur le volet engendre un couple modéré tendant à appuyer chaque volet sur son voisin. Si nécessaire, des butées fixées sur le radier délimitent le secteur dans lequel s'opère la rotation des volets. On choisira autant que possible un profil tel que, quelque soit l'orientation du volet, le centre de poussée ne s'écarte pas trop de l'axe, de façon à limiter les efforts à fournir au cours des manoeuvres d'ouverture ou de fermeture. Dans certaines parties du barrage, par exemple au voisinage des berges, les volets mobiles peuvent être remplacés par une paroi fixe s'appuyant sur les barreaux, avec les joints de dilatation nécessaires pour encaisser les déformations sous charge. Dans certains cas, par exemple pour la réalisation de batardeaux ou d'ouvrages de correction de torrents, le barrage ne comportera pas d'organes mobiles mais seulement des barreaux et la paroi fixe faite d'éléments démontables ou non prenant appui sur ces derniers Chaque barreau, qui supporte l'effort résultant de la poussée hydraulique sur le volet ou la paroi qu'il supporte, transmet cet effort au pieu qui lui sert de fondation propre et qui pénètre assez profondément dans le substratum mécaniquement résistant (roche en place ou alluvions consolidées) existant en profondeur pour y être convenablement encastré. Eventuellement si la poussée transmise par le barreau devait entrainer une déformation trop importante d'un pieu isolé, un (ou plusieurs) autre pieu incliné est associé à ce dernier pour le contre-buter en tête. Un radier au niveau du fond du lit, muni de parafouilles sur ses limites amont et aval, assure à la fois une protection contre les affouillements, l'étanchéité à la base des volets et une liaison entre les têtes des pieux. Si le terrain qui forme le fond du lit du cours d'eau ne peut supporter entièrement le poids de ce radier sans déformations excessives, une partie de ce poids est reportée sur les pieux au moyen d'une liaison adéquate, par exemple une charpente métallique, qui peut être noyée dans le terrain. Dans les ouvrages de grandes dimensions, ce radier est divisé en plots séparés par des joints de dilatation. La dissipation d'énergie lors des ouvertures partielles constitue un problème majeur pour ce type d'ouvrage. Lorsque le barrage est complètement ouvert il n'a qu'une faible influence sur les conditions de l'écoulement; lorsque le barrage est complètement fermé, le débit est alors peu important et déverse par dessus l'ouvrage; le fait même de ce déversement assure une bonne dissipation de l'énergie dans l'espace recouvert par le radier. Aux ouvertures partielles, le débit et les vitesses d'écoulement sur l'ouvrage peuvent être importants et l'énergie correspondante doit être dissipée autant que possible dans l'espace situé sur le radier qui protège par ailleurs le lit contre les affouillements. Ceci est facilité par l'adoption de volets superposés envisagés ci-dessus, l'ouverture des seuls volets supérieurs permnnettant de créer un déversoir dans la crête du barrage, déversoir dont on peut ajuster les dimensions au débit à évacuer. La chute de l'eau dans le bief inférieur, la turbulence et 1' aeration localement produites par cette chute dissipent une partie de l'énergie. La situation la plus défavorable pour la dissipation d'énergie correspond au cas o, le déversement ne suffisant plus pour écouler la totalité du débit, il devient nécessaire d'ouvrir tous les volets plus ou moins complètement. Dans les passages offerts à l'écoulement, les vitesses sont relativement grandes et les jets noyés ainsi formés au contact du fond du lit peuvent dépasser la limite aval du radier et affouiller le lit. En orientant les volets de façon à faire se heurter plusieurs jets de directions différentes on remédie en partie à cet inconvénient. Néanmoins une protection contre l'érosion peut être ajoutée à l'aval du radier sous forme de plots, d'enrochements ou de blocs artificiels. Présentation des figures. La figure 1 montre en élévation et en vue de dessus un barrage en position fermée. Le barrage repose sur un terrain de caractéristiques mécaniques médiocres (1) reposant lui- même sur un substratum mécaniquement résistant (2). Les pieux (3) sont cimentés dans des forages (4) pour réaliser un bon encastrement dans le substratum (2) tout en profitant autant que possible de la butée des terrains (1). Chaque pieu (3) est prolongé au dessus du sol par un barreau (5) qui sert d'axe à un volet unique (6) ou à deux volets superposés (7) et (8). Cependant certains barreaux (5) peuvent supporter une paroi fixe (9) au lieu de volet mobile. Les volets ont un profil hydrodynamique (10). En position fermée ils sont au contact les uns avec les autres suivant des lignes (11); ils portent des garnitures d'étanchéité suivant ces lignes. Le radier (12) est supporté par les pieux au moyen d'une liaison (13). 1l est muni de parafouilles (14) sur ses limites amont et aval. Les organes de commande des volets ainsi qu'une passerelle sont situés sur une plateforme (15). La figure 2 est une vue de dessus du même barrage en position ouverte. La figure 3 est une vue de dessus du même barrage en position d'ouverture partielle, les volets étant orientés de façon à faire se heurter des courants de directions différentes pour améliorer la dissipation d'énergie. La figure 4 présente une vue perspective partielle de quelques barreaux (5) et volets (6), et en particulier le cas de volets superposés (7) et (8) lorsque seul le volet supérieur (8) est ouvert. La figure 5 montre sur une coupe transversale partielle du barrage, un pieu incliné (16) contre-butant en tête le pieu vertical (3) qui supporte le barreau (5), ainsi qu'une liaison (13) entre les pieux et le radier (12). Exposé détaillé d'au moins un mode de réalisation. Une première réalisation possible est celle d'un ouvrage presque entièrement métallique. Les pieux de fondation (3) sont réalisés au moyen de forages (4) pénétrant dans le substratum mécaniquement résistant (2). Dans chaque forage est cimentée une colonne métallique (3) pleine ou creuse, dimensionnée (diamètre, épaisseur et caractéristiques de l'acier) pour offrir la rigidité voulue et constituer par elle-même un pieu de fondation (3). Le barreau (5) prolonge cette colonne au dessus du sol. Si nécessaire une autre colonne (16) cimentée suivant la même méthode dans un forage incliné vient contre-buter le pieu vertical. Le radier (12) est constitué d'un revêtement métallique ou de dalles minces en béton armé. Il est supporté par une ossature en charpente métallique (13) liée rigidement au sommet des pieux (3). Ce radier comporte sur ses limites amont et aval des parafouilles (14) ou bien métalliques ou bien réalisés par la technique des parois moulées par exemple. Les barreaux (5) sont fixés au sommet des colonnes (3), ou bien sont le simple prolongement de celles-ci au dessus du sol; chaque barreau est à la fois l'axe et le support d'un volet orientable (6) ou de volets superposés (7) et (8). Le sommet des volets (6) ou de l'ensemble des volets superposés (7) et (8) correspond à la cote de retenue du barrage. Ces volets ont en plan le profil d'une aile épaisse (10), l'axe du volet étant logé à l'intérieur du profil. Ils sont réalisés en chaudronnerie métallique ou éventuellement en résine armée pour des volets de dimensions moyennes. Ils sont munis de garnitures d'étanchéité analogues à celles qui équipent les vannes de conception moderne. La commande des volets se fait soit par servo-moteurs soit par vérins, par l'intermédiaire de systèmes de leviers ou d'engrenages. Le système de commande est installé sur une plateforme métallique (15) supportée par les sommets des barreaux et située au dessus du niveau des plus fortes crues. Pour les parties de l'ouvrage correspondant à une paroi fixe (9) prenant appui sur les barreaux, cette paroi peut être réalisée par exemple sous forme de panneaux monobloc fixés sur les barreaux, ou bien au moyen d'éléments démontables placés horizontalement les uns sur les autres et retenus dans des glissières dont sont alors munis les barreaux. Dans une deuxième réalisation possible, les forages tubés sont remplacés par des pieux en béton armé moulés dans le sol et le radier (12) est réalisé entièrement en béton armé coulé en place avec ses parafouilles (14) ainsi que des nervures (13) reportant sur les pieux la fraction de la charge qui ne peut être supportée par le terrain. Les barreaux sont scellés dans la partie sommitale des pieux (3). Pour le reste, l'ouvrage est conforme à la première réalisation envisagée ci dessus. D'autres réalisations avec d'autres matériaux sont également possibles. Applications possibles. Indépendament du cas particulier des ouvrages écrêteurs de crue et de la correction des torrents, ce type de barrage est particulièrement avantageux dans les circonstances suivantes: - faible hauteur de retenue (quelques mètres), - le cours d'eau s'écoule sur une couche de dépots (alluvions, vases,...) de médiocres caractéristiques mécaniques: faible compacité, plasticité excessive,... - un substratum mécaniquement résistant est présent à profondeur moyenne, - les transports solides du cours d'eau sont constitués d'éléments fins (argile, silt, sable), - le site du barrage est difficile d'accès, et on souhaite réduire autant que possible les installations de chantier. Cet ensemble de circonstances se rencontre par exemple, mais pas exclusivement, dans les cours d'eau de plaine, les deltas ou estuaires et dans le cas de barrages destinés à l'irrigation ou à l'amélioration de la navigation, et aussi pour des ouvrages destinés à la correction de torrents. REVENDICATIONS 1) Barrage destiné à agir sur l'écoulement des cours d'eau, caractérisé fondamentalement par ce que le report des efforts sur le substratum mécaniquement résistant plus ou moins profond se fait au moyen de pieux (3) encastrés dans ce substratum. Ces pieux supportent des barreaux verticaux (5) formant une grille en travers du lit du cours d'eau. La nature des barreaux et des pieux peut être quelconque sous réserve d'une résistance suffisante. Le sommet des barreaux se situe au dessus du niveau des plus hautes eaux prévues. 2) Barrage selon la revendication 1 caractérisé par des pieux de fondation réalisés au moyen de sondages (4) dans chacun desquels est cimentée une colonne métallique (3) au sommet de laquelle est fixé un des barreaux (5) constitutifs du barrage. 3) Barrage selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par ce qu'il comporte en sus un radier (12) au voisinage du niveau du fond du lit, et des parafouilles (14) sur les limites amont et aval de ce radier. Le radier et les parafouilles peuvent être constitués d'un matériau quelconque sous réserve d'une résistance suffisante. 4) Barrage selon la revendication 3 caractérisé par une liaison entre le radier (12) et les pieux (3) de façon à faire supporter par ceux-ci la fraction du poids du radier et des parafouilles qui ne peut l'être sans risques par le terrain (1) constituant le fond du lit. ) Barrage selon les revendications 3 ou 4 caractérisé par un radier (12) réalisé sous forme d'une paroi métallique supportée par une charpente métallique (13) liée à la partie supérieure des pieux (3), la charpente pouvant être noyée ou non dans le terrain constituant le fond du lit du cours d'eau. 6) Barrage selon les revendications 3 ou 4 caractérisé par un radier (12) réalisé en béton armé sous forme d'un voile mince porté par un ensemble de poutres (13) prenant appui sur la partie supérieure des pieux. 7) Barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par ce que les barreaux (5) supportent des volets orientables (6) pivotant sur ces barreaux qui leur servent d'axes. La rotation de ces volets permet de faire varier de façon continue la section offerte à l'écoulement des eaux. Les volets (6) sont profilés pour offrir une résistance minimum à l'écoulement lorsqu'ils sont orientés parallèlement à la direction générale de l'écoulement, le barrage étant alors ouvert. La largeur des volets est telle que lorsqu'ils sont orientés tranversalement à l'axe du cours d'eau les volets de deux barreaux voisins viennent en contact et se recouvrent légèrement pour former une paroi continue s'opposant à l'écoulement, le barrage est alors fermé. Les lignes de contact (11) entre les volets en position fermée sont munies de garnitures d'étanchéité. Les volets s'étendent en hauteur depuis le radier (12) jusqu'à la cote de retenue prévue pour le barrage. L'étanchéité entre le radier (12) et les volets (6) est assurée par une garniture. Le radier peut être muni ou non de butées pour délimiter le secteur à l'intérieur duquel s'opère la rotation des volets. Les organes de manoeuvre des volets tels que vérins, servo-moteurs, bielles, manivelles, engrenages sont installés au dessus des plus hautes eaux sur une plateforme (15) reposant sur le sommet des barreaux, plateforme qui sert également à la circulation entre les deux rives. 8) Barrage selon la revendication 7 caractérisé par ce que certains des volets (6) sont remplacés par plusieurs volets superposés, (7) et (8) par exemple, maneuvrables indépendament les uns des autres. En position fermée, des garnitures assurent l'étanchéité entre volets superposés. 9) Barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé par ce que tout ou partie des barreaux (5) servent de support à une paroi fixe (9) au lieu de volets orientables, quels que soient la nature et le mode de réalisation de cette paroi.