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03-Assainissement Routier (Dimensionnement)
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 1
ASSAINISSEMENT ROUTIERASSAINISSEMENT ROUTIERASSAINISSEMENT ROUTIERASSAINISSEMENT ROUTIER
LE DIMENSIONNEMENT DES OUVRAGES D’ASSAINISSEMENT ROUTIER
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 2
NOTIONS DE PLUVIOMETRIE
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIELE CYCLE DE L’EAU
L’atmosphère est lesiège d’un perpétuelchangement d’étatde l’eau selon uncycle fermé.
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIEDESCRIPTION DE LA PLUIE
Les précipitations sont des phénomènes essentiellem ent aléatoires et discontinus, variables dans le temps et l'espace. Elles sont car actérisées par :���� la quantité d’eau tombée ou l'intensité;���� la durée de l’averse;���� la zone géographique touchée.
Un type de précipitations intéresse plus particuliè rement le projeteur : les orages convectifs car ils générent de fortes intensités. Il s se produisent, en général en fin de journée chaude, et sont provoqués par la montée de l’air chaud dans des zones plus froides. Ces orages se caractérisent par :���� leur ponctualité spatiale���� leur brièveté temporelle���� leur très fortes intensités.
La mesure de ces caractéristiques et l’exploitation statistique de ces mesures constituent la PLUVIOMETRIE.
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIECOMMENT ESTIMER LA HAUTEUR
La mesure des précipitations est réalisée par :
• le pluviomètre totalisateur pour lequel la mesure de la quantité d’eau recueillie est réalisée par un opérateur, le cumul mesuré porte donc sur la période séparant deux lectures (en général 24 h) .
• le pluviomètre enregistreur qui est doté d’un système automatique de jaugeage permettant de mémoriser de façon discrète ou continue l’évolution du cumul d’eau dans le temps et nous permet donc de connaître les intensités de pluie. La mesure est réalisée par augets basculeurs, pesée ou flotteurs.
• Le radar météorologique qui est un radar à impulsions, c'est-à-dire qu'il émet des impulsions de très courte durée suivi d'un temps mort beaucoup plus long pour « écouter » les échos de retour venant des précipitations. On peut ainsi repérer la position, l'intensité et le déplacement de ces dernières. On peut même tirer le type du signal retourné, si on sait quelles variables de l'écho analyser.
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le pluviomètre totalisateur
Ils mesurent volumétriquementl’eau recueillie sur une surfacehorizontale bien déterminée.
Ils comprennent :- une bague
- une entretoise
- un seau collecteur- un pied métallique- une éprouvette graduée.
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIELe pluviomètre enregistreur
L ’eau recueillie par une bague pluviométrique est d éversée dans un des compartiments d ’un auget double qui bascule lor sque ce compartiment contient une certaine quantité d ’eau ( 20 g) et met aussitôt l ’autre compartiment en position de récept ion lorsque le premier se vide.
Chaque basculement, par l ’intermédiaire d ’un systèm e mécanique, provoque le déplacement d ’un stylet devant un cylin dre à axe vertical effectuant une rotation par jour ou par se maine.
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIELe pluviomètre enregistreur
Une pluie se traduit par un escalier plus ou moins rapide sur lediagramme suivant l ’intensité de la précipitation.
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Principe de mesure- émission d’une ondeélectromagnétique(3 < λ < 10 cm)
- en partie rétro-diffuséepar les précipitations
- balayage < 1 minjusqu’à 100 km
NOTIONS DE PLUVIOMETRIELe radar météorologique
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La pluie : la mesure
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Exemple sur la communautéurbaine du Grand Nancy
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+++ spatialisation et résolution temporelle qui permet une mesure, voire une prévision à courte échéance, de la lame d’eau précipitée
--- incertitudes de mesure : masque, remplissage partiel du faisceau, bande brillante, atténuation, ….
� nécessite de ‘caler’ les images radars sur les
pluviomètres au sol
NOTIONS DE PLUVIOMETRIELe radar météorologique
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• Le radar
--- incertitudes de
mesure
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• Le radarApplication opérationnelle
- gestion en temps réelle pour de grandes collectivités :surveillance avec un radar, identification de scénarios de gestion (Nancy, Seine St-Denis, …)
- le réseau ARAMIS de Météo-France couvre la France (actuellement 14 radars):acquisition d’images pour étude et retour d’expérience d’événements passés exceptionnels
NOTIONS DE PLUVIOMETRIELe radar météorologique
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIEHAUTEURS D’EAU JOURNALIERES
Ces valeurs de fréquence décennale (P 10)découlent de l’exploitation des pluviomètres et
sont utilisées dans certaines formules pourestimer le débit d’apport des bassins versantsnaturels.L’ensemble des valeurs sont reprises ci-après sur
une carte donnant pour la France ce paramètreP10.
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIE
CARTES DES
PLUIES
JOURNALIERESDECENNALES
P10 (mm)
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIERELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE
– Relation de Montana : i = a t -b
i = intensité de pluie en mm/h t = temps en minute
a et b sont les paramètres pluviométriques de la région considérée
Les relations de la forme i = a t-b ne permettant généralementpas de bien représenter les courbes intensité-durée de pluie
pour toutes les durées (de 6 min. à 24 h), elles ont été séparées
en deux ou trois relations :
- de 6 à 30 min (a1 et b1 )
- de 15 à 360 min (a2 et b2)
- de 360 min à 24 h (a3 et b3 )
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIERELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE
Courbes INTENSITE - DUREE - FREQUENCE
AMIENS
0
50
100
150
200
250
300
350
400
5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Durée d’averses en minutes
Intensité en mm /heure
100 a n s 50 a n s 20 a n s 1 0 a n s
5 a n s 2a n s
90 mm/h
15 mIn
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIERELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE
Pour être plus précis, le temps limite t issu de
l’intersection des courbes a1 t –b1 et a2 t –b2
a pour expression :
Il faut donc prendre les paramètres a1 et b1 si le
temps de concentration du bassin versant
considéré est inférieur au temps limite t, sinon il
faut prendre les paramètres a2 et b2 .
12
12
bbLnaLna
expt−−=
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NOTIONS DE PLUVIOMETRIERELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE
Exemple de calcul de
l’intensité sur Lille:
a1 = 323 et b1 = 0,499a2 = 925 et b2 = 0,826
point d’intersection 25 min
pour t = 15 min :
i = 323 x 15 – 0,499
soit i = 84 mm/h
pour t= 40 min :
i = 925 x 40 – 0,826
soit i = 44 mm/h
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NOTIONS D’HYDRAULIQUE
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DEBIT CAPABLE D’UN OUVRAGE
• FORMULE DE MANNING - STRICKLER
V = K . Rh2/3 . p 1/2
Qc = V . S = K . Rh2/3 . p 1/2.SK = Coefficient de Manning - Strickler
Sm = Section mouillée de l’ouvrage au m2
Pm = Périmètre mouillé de l’ouvrage en m
Rh = Rayon hydraulique de l’ouvrage Sm /Pm en m
p = Pente longitudinale de l’ouvrage en m/m
V = Vitesse de l’eau dans l’ouvrage en m/s
Qc = Débit capable de l’ouvrage en m3/s
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NOTIONS D’HYDRAULIQUE
Section mouillée (Sm)C'est la section "ABCD" occupée par le fluide dans l'ouvrage.
Périmètre mouillé (Pm)C'est le périmètre de l'ouvrage en contact avec le fluide égal àAB + BC + CD
Rayon hydraulique (Rh)C'est le "rayon moyen" de la section obtenu par le rapport
SmRh =
Pm
A
B C
D
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LE COEFFICIENT K DE MANNING-STRICKLER
Valeurs courantes de K :- Fossés profonds engazonnés: K = 25 à 30
- Ouvrages en béton: K = 70 à 80
- Ouvrages PVC, PEHD: K = 100 à 120
- Ouvrages métalliques en tôle ondulée: K = 40 à 45
- Ouvrages engazonnés peu profonds: K varie de 7 et 30
par application de la formule suivante :et K = 18 loge (100 Rh) + 5,13 loge (pente) – 11
- Tuyaux en béton: K = 70 à 90
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VITESSES MAXIMALES
• Ouvrage en terreTerrain naturel sans végétation :
- limons : V = 0,2 à 0,5 m/s
- sable à granulométrie dense: V = 0,5 à 0,75 m/s- sables limoneux : V = 0,75 à 0,9 m/s- argiles : V = 0,9 à 1,5 m/s- graviers et galets : V = 1,5 à 2,4 m/s
Terrain naturel engazonné :
V = 1,8 m/svariable selon l’engazonnement
• Ouvrage en béton :V = 4 m/s
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DEBIT CAPABLE D’UN OUVRAGE
Le Rh joue un rôle important, et de ce fait la forme de l’ouvrage
dépendra du but recherché par le projeteur.
En effet: pour une même section mouillée le Rh peut être différent
suivant le périmètre mouillé.
Exemple: soit deux ouvrages bétonnés de section mouillée S = 0,25 m2,
K = 80 et de pente p = 0,01 m/m
Si le projeteur recherche à évacuer rapidementpossible les eaux, il portera son
choix sur des ouvrages 1sans toutefois perdre de vue la vitesse (dégradation).
Dans le cas contraire, son choix va sur des ouvrages 2(revêtus ou engazonnés).
����
����L’ouvrage n° 2aura :
un Rh = 0,25 /2,70= 0,092 mV = 1,63 m/sQc = 0,407 m3/s
L’ouvrage n° 1aura :
un Rh = 0,25/1.50 = 0,166 mune vitesse V = 2,41 m/sun débit Qc = 0,602 m3/s
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DEBIT CAPABLE D’UN OUVRAGEVitesse et débit en fonction du remplissage
Tuyau béton ∅∅∅∅1000 pente 1%
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100%
% de remplissage
vite
sse
en m
/s d
ébit
en m
Débit
Vitesse
Dé b itma ximum à 94%
d e la ha ute ur
Vite s s e ma ximum à 81% de la
ha ute ur
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LES BASSINS VERSANTS LES BASSINS VERSANTS LES BASSINS VERSANTS LES BASSINS VERSANTS ROUTIERSROUTIERSROUTIERSROUTIERS
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 29
METHODE DE CALCUL
La méthodologie générale de dimensionnement
consiste à vérifier que le débit à évacuer est infé rieur
ou égal au débit capable de l’ouvrage choisi, tout au
long de l’écoulement. Elle est tirée du guide
technique Assainissement routier du SETRA (octobre
2006).
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 30
METHODE DE CALCULDONNEES PLUVIOMETRIQUES
Il faut se fixer la période de retour , en général :� 10 ans pour l'assainissement de la plate-forme
Pour connaître l’intensité de pluie à appliquer sur lebassin versant considéré, on utilise la relation de
Montana : i = a t -b
i = intensité de pluie en mm/h t = temps en minute
a et b sont les paramètres pluviométriques propres à la région d’étude.
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METHODE DE CALCULCARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU PROJET
L'IMPLUVIUML'IMPLUVIUM
Selon le point de calcul considéré, c'est la surfac edu bassin versant routier repris par l'ouvrage àcalculer.
Il est caractérisé par :� les surfaces élémentaires� le coefficient de ruissellement de chaque surface
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METHODE DE CALCULCARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU PROJET
Le coefficient de ruissellement:- chaussées, parties revêtues : C = 1
- grave stabilisée traitée : C = 0,8- grave stabilisée non traitée : C = 0,5- terre végétale engazonnée : C = 0,7 pour les surfaces
traversées par l’eau provenant de la chausséeC = 0,3 dans les autres cas
- ouvrage d’assainissement : C = 0,7 si engazonné
C = 1 si revêtu
D’où le coefficient de ruissellement pondéré :
C(C j L j )
L j=
×∑∑
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 33
METHODE DE CALCULCARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU PROJET
Exemple de calcul de coefficient de ruissellement
85,05,25,17,027
)5,23,0()5,11()17,0()21()71()(=
++++×+×+×+×+×=
×=
∑∑
Lj
LjCjCpond
7 m 2 m 1 m 1,5 m 2,5 m
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDEMARCHE DE CALCUL
- 1. Débit capable de l’ouvrage choisiOn évalue le débit capable à pleine section
Qc = K . Rh 2/3 . p 1/2.S
- 2. Détermination de la vitesse pleine sectionOn détermine la vitesse Vc comme indiqué précédemment soit :
Vc = Qc / S
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDEMARCHE DE CALCUL
- 3. Détermination du temps de concentrationOn calcule le temps de concentration Tc
Tc = Tc1 + Tc2 = (1 min. par voie) + (1/ 60 x (L / 0,85. Vc)) L : longueur de l’ouvrage en m. Tc1 : Temps de ruissellement sur la chaussée en minutesTc2 : Temps de parcours dans l’ouvrage en minutes
Tc : Temps de concentration en minutesVc : Vitesse de l’ouvrage
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDEMARCHE DE CALCUL
- 4. Évaluation de l’intensité correspondanteon évalue l’intensité à prendre en compte par laformule : i 10 = a (Tc)-b
- a et b : coefficients de MONTANA du site d’étude
- i10 en mm/h
- Tc temps de concentration du bassin versant routier en mn
- 5. Évaluation du coefficient de ruissellementon évalue le coefficient de ruissellement pondérépar la formule :
C( C j L j )
L j=
×∑∑
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDEMARCHE DE CALCUL
- 6. Évaluation du débit d’apporton évalue le débit d’apport par la application de l aformule : Qa = (1/3600) x C x i 10 x A
Qa : débit en l/s
A : aire du bassin d’apport exprimée en m²
i : intensité de l’averse exprimée en mm/hC : coefficient de ruissellement pondéré
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDEMARCHE DE CALCUL
- 7. Vérification de l’ouvrage de collectePour l’ouvrage de collecte choisi, on compare le débit capable de
l’ouvrage (Qc) au débit d’apport (Qa)
. Si Qc > Qa : l’ouvrage choisi convient et on reproduitle calcul sur le tronçon suivant.. Si Qc < Qa, on passe à un autre ouvrage de capacitésupérieure.Le point d’insuffisance où Qa = Qc peut se déterminer plusprécisément par itération et obtenir ainsi la longu eur exacted’utilisation de l’ouvrage. De la même manière on peut connaître le débit de po inte réel
rejeté par le bassin au point de calcul désiré .
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDETERMINATION DU DEBIT DE REJET
En faisant varier la hauteur d’eau dans l’ouvrage (par itération),
on peut ainsi déterminer le débit de rejet :
Niveau 1 : Q cap1 ⇒⇒⇒⇒ V1 ⇒⇒⇒⇒ Tc1 ⇒⇒⇒⇒ I1 ⇒⇒⇒⇒ Q app1 Niveau 2 : Q cap2 ⇒⇒⇒⇒ V2 ⇒⇒⇒⇒ Tc2 ⇒⇒⇒⇒ I2 ⇒⇒⇒⇒ Q app2 Si on trace sur un graphique le débit d’apport du projet et le débit
de l’ouvrage en fonction de la hauteur d’eau, l’intersection des
deux courbes nous donne le débit maximum au rejet.
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONDETERMINATION DU DEBIT DE REJET
Débit de projet en fonction du débit capable de l'o uvrage
28
80
141
209
280
354
429
506
257
320
353375
390402 410 417
0
100
200
300
400
500
600
5 10 15 20 25 30 35 40Hauteur d'eau (cm)
Déb
its (l
/s)
Débit capable de l'ouvrage
Débit du projet
H=34cm
Q=408 l/s
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METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONASSEMBLAGE DE BASSINS
Le regroupement de bassins se fait :
• Soit en série lorsqu’une zone s’écoule vers une autre zone,
• Soit en parallèle lorsque deux zones se regroupent en un point
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 42
METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONASSEMBLAGE DE BASSINS
Calcul des débits en série:Le temps de concentration Tc devient :
Alors : i = a (Tc) -b
A = ΣΣΣΣ AjC = (ΣΣΣΣ Cj.Aj ) / ΣΣΣΣ Aj
Donc : Qa = (1/3600) x C x i x A
∑+= Tc2Tc1Tc
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 43
METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATIONASSEMBLAGE DE BASSINS
Calcul des débits en parallèle:
On prend l’intensité du bassin qui a le temps de concentration leplus long et on l’applique sur la totalité de l’impluvium considérée.
Exemple :On a : Q1 et Q2 avec i1 < i2 et Tc1 > Tc2
Donc :
i = i1 A = ΣΣΣΣ AjC = (ΣΣΣΣ Cj.Aj ) / ΣΣΣΣ Aj
D ’où : Qa = (1/3600) x C x i1 x A
DIR Assainissement routier
CETE Nord Picardie 44
LES BASSINS VERSANTS NATURELS
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 45
BASSINS VERSANTS NATURELSGENERALITES
• Les bassins concernés par ces méthodes sont majoritairement des bassins dits « courants » de petite taille (jusqu’à quelques dizaines de km²),
• Pour certains types de bassins rencontrés, ces méthodes ne conviennent pas et demandent la réalisation d’une étude spécifique :
-Les bassins versants karstiques-Les bassins versants comportant de grandes zones de stockage-Les bassins versants urbains
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 46
BASSINS VERSANTS NATURELSGENERALITES
• Les bassins versants karstiques
Il existe une incertitude sur les contours du B.V. réel par rapport au B.V. apparent
B.V. réel
B.V. apparent
R
R
R: Résurgences
Exutoire
Bassinversantkarstique
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 47
BASSINS VERSANTS NATURELSGENERALITES
• Les bassins versants comportant de grandes zones de stockage
Les débits sont écrêtés par ces zones de stockage aussi les méthodes proposées surestiment le débit.
Barrage
étang
coteau
ZONE INONDABLE
Bassinversant avecretenues d'eau
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BASSINS VERSANTS NATURELSGENERALITES
• Les bassins versants urbainsSelon l’Instruction Technique Relative à l’Assainissement des Agglomérations un bassin est réputé « urbain » si son taux d’imperméabilisation est < à environ 20 %.Ce taux est le rapport de la totalité des surfaces imperméabilisées à la superficie totale du B.V.Conditions de superficie du bassin versant urbain :SBVU ≤ 2 km² (limite d’utilisation des formules de l’Instruction)
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 49
BASSINS VERSANTS NATURELSDETERMINATION DES CARACTERISTIQUES
• ---- Morphologique :Morphologique :Morphologique :Morphologique :* Superficie* Superficie* Superficie* Superficie en km²en km²en km²en km²* Pente moyenne* Pente moyenne* Pente moyenne* Pente moyenne en m/m ou % (dénivelée, longueur d’écoulement en m/m ou % (dénivelée, longueur d’écoulement en m/m ou % (dénivelée, longueur d’écoulement en m/m ou % (dénivelée, longueur d’écoulement
en m)en m)en m)en m)• ---- Occupation du solOccupation du solOccupation du solOccupation du sol ::::
. Zones boisées, zones urbanisées, autres (cultures, prairie. Zones boisées, zones urbanisées, autres (cultures, prairie. Zones boisées, zones urbanisées, autres (cultures, prairie. Zones boisées, zones urbanisées, autres (cultures, prairies, .)s, .)s, .)s, .) en km²en km²en km²en km²
• ---- GéologieGéologieGéologieGéologie ::::• ---- Nature du réseau hydrographiqueNature du réseau hydrographiqueNature du réseau hydrographiqueNature du réseau hydrographique :::: sections des lits et des ouvrages sections des lits et des ouvrages sections des lits et des ouvrages sections des lits et des ouvrages
existants, érosions, zones inondables ou retenues d’eau ….existants, érosions, zones inondables ou retenues d’eau ….existants, érosions, zones inondables ou retenues d’eau ….existants, érosions, zones inondables ou retenues d’eau ….• ---- Moyens d’étude :Moyens d’étude :Moyens d’étude :Moyens d’étude :
. Cartes topographiques. Cartes topographiques. Cartes topographiques. Cartes topographiques : 1/25.000ème IGN principalement: 1/25.000ème IGN principalement: 1/25.000ème IGN principalement: 1/25.000ème IGN principalement
. Plans topographiques du projet routier. Plans topographiques du projet routier. Plans topographiques du projet routier. Plans topographiques du projet routier
. Carte géologique. Carte géologique. Carte géologique. Carte géologique
. Reconnaissance pédestre. Reconnaissance pédestre. Reconnaissance pédestre. Reconnaissance pédestre
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 50
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
Pour l’estimation des débits des bassins versants n aturels, il existe trois grandes familles de méthodes :
- méthodes statistiques :Elles nécessitent la connaissance de données observé es sur de longues périodes.
- méthodes analytiques :Elles consistent à quantifier le passage du hyétogra mme (pluie) à l’hydrogramme (débit)
- méthodes déterministes :Elles consistent à rechercher une relation entre les facteurs (climat, topographie, géologie etc..) et les caract éristiques des crues
Chaque formule a son propre domaine de validité
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 51
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
Les méthodes utilisées dans le G.T.A.R. sont :- méthode rationnelle- méthode CRUPEDIX- méthode de transition (rationnelle, CRUPEDIX)
D’autres méthodes existent en exemple :- méthode SOGREAH- méthode SOCOSE- méthode KIRPICH - méthode de BURKLI-ZIEGLER
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• METHODE RATIONNELLE
Données:- C :Coefficient de ruissellement
- source : évaluation par l’utilisateur
- A : Surface du Bassin versant
- source : caractéristiques topographiques du bassin versant en km²
- Tc : Temps de concentration du Bassin versant
- source : module de détermination de tc en minutes- a et b : Paramètres de Montana
- source : tables régionales ou imposés par l’utilisateur.
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 53
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• METHODE RATIONNELLE
Formulation Q 10 =(1/3,6)x C x I x A
Q10 : Débit décennal en m3/s A : Surface du bassin versant naturel en km2
I : intensité de la pluie en mm/h calculée par la formule de Montana : I = a Tc-b
C : coefficient de ruissellement• LIMITE DE VALIDITE :
-Superficie comprise entre 0 et 10 km² en France métropolitaine sauf façade méditerranéenne-Jusqu’à quelques dizaines de km² sur la façade méditerranéenne
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 54
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• COEFFICIENT DE RUISSELLEMENT C pour T 10ans
On pourra adopter suivant la couverture végétale, l a forme, lapente et la nature du terrain les valeurs de C :
Couverture végétale
Morphologie Pente (%) Terrain sable grossier
Terrain limoneux
Terrain argileux
Bois Presque plat Ondulé
Montagneux
0-5 5-10 10-30
0,10 0,25 0,30
0,30 0,35 0,50
0,40 0,50 0,60
Pâturage Presque plat Ondulé
Montagneux
0-5 5-10 10-30
0,10 0,15 0,22
0,30 0,36 0,42
0,40 0,55 0,60
Culture Presque plat Ondulé
Montagneux
0-5 5-10 10-30
0,30 0,40 0,52
0,50 0,60 0,72
0,60 0,70 0,82
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 55
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• COEFFICIENT DE RUISSELLEMENT CEn présence de zones de perméabilités différentes, la valeur du
coefficient à prendre en compte est :
Aj étant les surfaces élémentaires auxquelles correspondent les
coefficients Cj
C(Cj Aj)
Aj=
×∑∑
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• VARIATION DU COEFFICIENT C pour T > 10ansLe coefficient de ruissellement croît avec la pério de de retour etselon le degré de perméabilité et de rétention des sols. • La rétention initiale peut-être évaluée par la rela tion ci-après :
avec : -C (10) : coefficient de ruissellement depériode de retour 10 ans-P (10) :pluie 24h, T = 10 ans en mm-P (0) :seuil de ruissellement en mm
• Et la valeur de C (T) pour T > 10
avec C (10) < 0,8 , si C (10) ≥≥≥≥ 0,8, on admettra : P (0) = 0 et C (T) = C (10)
10)10(
0 8,01 P
CP ×
−=
−=
)(
0)( 18,0
TT P
PC
29
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• VITESSE D’ECOULEMENT SUR LES BASSINS VERSANTS NATURELS
La vitesse ( V en m/s) se détermine en fonction du type d’écoulement observé et de la pente ( p en mm/s) :
2/115 pV ×=2/14,1 pV ×=Écoulement concentréÉcoulement en nappe
écoulement en nappe
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• POUR UN TEMPS DE CONCENTRATION T =10ansavec Lj : Longueur d’écoulement sur un
tronçon de pente constante en m.Vj : vitesse d’écoulement correspondante
en m/s.tc : temps de concentration en mn.
• POUR UN TEMPS DE CONCENTRATION T > 10ansavecavecavecavec : : : : . . . . tctctctc(T)(T)(T)(T) : temps de concentration pour la: temps de concentration pour la: temps de concentration pour la: temps de concentration pour la
crue de temps de retour T, en crue de temps de retour T, en crue de temps de retour T, en crue de temps de retour T, en mnmnmnmn....tctctctc10101010 : temps de concentration décennal, : temps de concentration décennal, : temps de concentration décennal, : temps de concentration décennal,
en en en en mnmnmnmn....PPPP((((TTTT)))) : pluie journalière non centrée de temps de retour T, en mm.: pluie journalière non centrée de temps de retour T, en mm.: pluie journalière non centrée de temps de retour T, en mm.: pluie journalière non centrée de temps de retour T, en mm.
P(P(P(P(10) : pluie journalière non centrée décennale, en mm.10) : pluie journalière non centrée décennale, en mm.10) : pluie journalière non centrée décennale, en mm.10) : pluie journalière non centrée décennale, en mm.P(P(P(P(0)0)0)0) : seuil de ruissellement, en mm.: seuil de ruissellement, en mm.: seuil de ruissellement, en mm.: seuil de ruissellement, en mm.
∑
×=
Vj
Lj
60
1tc
23,0
010
0)(10)(
−
−−
×=PP
PPtctc T
T
30
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• INTENSITE DE LA PLUIE
i (T) = a (T) t-b (T)
Avec : - I (T)
:pluie critique en mm/h, pour une période de retour T.
- t : temps en mn égal au temps de concentration du bassin versant
routier en fonction de la période de retour T retenue.- a et b : paramètres pluviométriques données par le s Services
Météo selon la région d’étude et la période de retou r T.
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• METHODE CRUPEDIXFormulation
Données:- Surface du bassin versant ( S) en km²- Coefficient régional ( R) carte nationale (sans unité)- Pluie décennale journalière ( P(10)) donnée Météo France en
mm (voir carte ci-après)- LIMITE DE VALIDITE :- - à partir de quelques km2 ou plusieurs dizaines de km2. - - formule valable pour le seul débit décennal
RP
SQ ×
×=
2
)10(8,010 80
31
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METHODE CRUPEDIX
Carte pourl’application du
coefficient régional
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• FORMULE DE TRANSITIONCette formule permet d’ajuster les débits fournis par les formules rationnelle et CRUPEDIX.
La formule de transition s’écrit : avec :
Q (T) : débit de projet de temps de retour T,Q (R (T) : débit fourni par la formule
rationnelle, temps de retour T,Q (C (T) : débit fourni par la formule Crupédix, temps de retour T,αααα, ββββ : coefficients de pondération avec 0 < αααα < 1 et 0 < ββββ < 1 et αααα + ββββ = 1
αααα varie linéairement de 1 à 0 lorsque la superficie (S) croît de 1 à 10 km², d’où :
αααα = France sauf façade méditerranéenne etββββ = 1 - αααα
αααα varie linéairement de 1 à 0 lorsque la superficie (S) croît de 10 à 50 km²
αααα = Façade méditerranéenne et ββββ = 1 - αααα
)()()( TCTRT QQQ ×+×= βα
9
10 S−
40
50 S−
32
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BASSINS VERSANTS NATURELSMETHODES DE CALCUL
• PLAGES D’UTILISATION POUR CHACUNE DES TROIS FORMULES
Formule
CRUPEDIX
Formule
de transition
Formule
rationnelle
Formule
rationnelle
France méditerranéenne
Formule
CRUPEDIX
Formule
CRUPEDIX
Formule
de transition
Formule
rationnelle
France sauf façade méditerranéenne
Km2Km2 50Km2 101
Superficie du bassin versant
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CALCUL DES DEBITS DES BASSINS VERSANTS NATURELS
• METHODE SOGREAH (abaque de synthèse)Données:- Surface du bassin versant : caractéristiques topographiques du
bassin en km²- Pente du bassin versant : caractéristiques topographiques du
bassin en %- Pluie décennale (P10) : Météo France en mm - Perméabilité du sol : caractéristiques géologiques du bassin
(sans unité, sols assez imperméables ou semi-perméables
- LIMITE DE VALIDITE : 1 à 100 km2,voire 200 km2, P10 entre 50 et 200 mm.
-
33
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ABAQUEABAQUEABAQUEABAQUEDEDEDEDESYNTHESESYNTHESESYNTHESESYNTHESESOGREAHSOGREAHSOGREAHSOGREAH
Exem pleS = 23 kmp% = 3P = 100 m msem i-perm éableQ = 17 m 3/s
So l assez im perm éab le (sab les et lim ons arg ileux) M arnes
Cas généra l de so lsem i-perm éab lesur des gran ites gneissroches volcan iquessch is tes g rés calca ires
aba que des d ébits des bassins versants
de 1 à 100 km 2
S kmp %P m m
et la perm éabilité
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FORMATION ASSAINISSEMENT FORMATION ASSAINISSEMENT ROUTIERROUTIER
RETABLISSEMENT DES ECOULEMENTS NATURELS
34
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On parle d’écoulement pour désigner le mouvement d’une masse d’eau à la surface du sol, dans un bief, un réseau…
Le régime d’écoulement caractérise quant à lui les conditions dans lesquelles s’effectue l’écoulement.
Il est déterminé:– D’une part par la pente, la forme et la rugosité de
la conduite– D’autre part par le débit et la viscosité du liquide
LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENTIl existe différentes classifications des régimes d’écoulement, qui peuvent tous se rencontrer dans les réseaux d’assainissement urbains.
On peut ainsi différencier :–Les Les Les Les écoulements laminaires et les coulements laminaires et les coulements laminaires et les coulements laminaires et les écoulements turbulents,coulements turbulents,coulements turbulents,coulements turbulents,–Les Les Les Les écoulements permanents et les non permanents,coulements permanents et les non permanents,coulements permanents et les non permanents,coulements permanents et les non permanents,–Les Les Les Les écoulements coulements coulements coulements à surface libre et les surface libre et les surface libre et les surface libre et les écoulements en coulements en coulements en coulements en
charge,charge,charge,charge,–Les Les Les Les écoulements uniformes et les coulements uniformes et les coulements uniformes et les coulements uniformes et les écoulements varicoulements varicoulements varicoulements variés,s,s,s,–Puis en fonction de la pente, les Puis en fonction de la pente, les Puis en fonction de la pente, les Puis en fonction de la pente, les écoulements fluviaux, les coulements fluviaux, les coulements fluviaux, les coulements fluviaux, les
écoulements critiques ou les coulements critiques ou les coulements critiques ou les coulements critiques ou les écoulements torrentiels.coulements torrentiels.coulements torrentiels.coulements torrentiels.
35
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENTLes relations possibles entre les différents régimes d’écoulement apparaissent sur le schéma suivant:
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENTRégimes laminaires et turbulents
Physiquement, les deux régimes se distinguent par l a nature des interactions qui se produisent entre les particules de liquide.
Dans un régime laminairelaminairelaminairelaminaire les trajectoires suivies par les particules élémentaires du fluide restent toujours strictement parallèles et indépendantes, l’écouleme nt ne présente aucun brassage.
Au contraire dans un régime turbulentturbulentturbulentturbulent, les particules du fluide ne sont jamais strictement parallèles, elles ont tendances à s’entrechoquer dans des tourbillons de formation aléatoire. L’écoulement apparaît comme ag ité. Il y a donc un brassage permanent conduisant une dissipation plus importante de l’énergie.
36
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENTLa distinction entre les régimes laminaire et turbu lent se fait selon la valeur d’un nombre sans dimension iss ue d’une condition de similitude dans l’équation de Na vier Stokes :Le nombre de Reynolds dans une conduite d’assainissement
Avec :D :Diamètre de la conduite en m (ou diamètre hydrau lique : D = 4 Rh)V :Vitesse moyenne du fluide en m/sνννν :Viscosité cinématique en m²/sSi Re < 2000, l’écoulement est laminaireSi Re > 2300, l’écoulement est turbulentSi 2000 < Re < 2300, on est en régime de transitio n
υ= D.V
Re
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 74
LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
• Régimes permanent et non permanent
Le régime permanentpermanentpermanentpermanent désigne un écoulement dont les caractéristiques ne varient pas dans le temps. Dans ces conditions, les différentes grandeurs hydrauliq ues (hauteur, vitesse et débit) conservent toujours la même valeur en un point donné.
Dans le cas contraire, on parle de régime non non non non permanentpermanentpermanentpermanent, de régime transitoire, ou encore parfois de régime évolutif.
38
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 75
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 76
39
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 77
LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
• Écoulements en charge et à surface libreL’écoulement est dit à surface libresurface libresurface libresurface libre lorsqu’il se produit dans un canal à ciel ouvert ou dans une conduite fermée avan t que celle-ci ne soit pleine, et temps que la pression de l’ai r au dessus de la veine liquide est voisine de la pression atmosphéri que.
Il est dit en chargechargechargecharge lorsqu’il se produit dans une conduite fermée et que celle-ci est pleine. Il n’y a plus d’air dan s la conduite et la section mouillée de l’écoulement est égale à la sect ion totale de la conduite.
Les écoulements en charge sont théoriquement except ionnels dans les réseaux d’assainissement qui doivent être dimensionnés pour écouler à surface libre les débits correspondan t à la période de retour choisie comme référence.
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENT• Régime uniforme et régimes variés
Le régime uniformeuniformeuniformeuniforme correspond à un écoulement dont les caractéristiques hydrauliques (vitesse, hauteur , débit) sont strictement indépendantes du temps et d e la position.
Dés que l’une des caractéristiques de l’écoulement présente une variation dans l’étendue du tronçon étudié, le régime est dit varivarivarivarié.On distingue alors le régime graduellement varigraduellement varigraduellement varigraduellement varié, pour lequel les caractéristiques de l’écoulement varient lentement dans l’espace. Et le régime rapidement varié, pour lequel les caractéristiques de l’écoulement varient rapidement.
40
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
Schéma de représentation des différents régimes d’écoulement variés
Ligne d ’écoulement uniforme
Ligne de remous
ECOULEMENT GRADUELLEMENT VARIEECOULEMENT GRADUELLEMENT VARIE ECOULEMENT RAPIDEMENT VARIEECOULEMENT RAPIDEMENT VARIE
41
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LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
Écoulements à pente forte ou à pente faible
Les propriétés hydrauliques d’une rivière ou d’une conduite différent considérablement suivant les valeurs relatives de sa pente i et de la pente critique ic.
Si i < ic , le tronçon est dit à pente faible;Si i = ic , le tronçon est dit à pente critique;Si i > ic , le tronçon est dit à pente forte.
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 83
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 84
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 85
LES REGIMES D’ÉCOULEMENT• Régime fluvial et régime torrentiel
La distinction entre le régime fluvial et le régime torrentiel se fait selon la valeur d’un nombre sans dimension apparais sant dans l’équation de Navier : Le nombre de Froude
Avec : Fr : Nombre de FroudeB : Largeur au miroir en m (B=dS/dh)g : Accélération de la pesanteur en m/s²h : La hauteur d’eau en mV : La vitesse moyenne du fluide en m/sS : La section moyenne du fluide en m²Q : Débit en m 3/s (Q=V.S)
Si F < 1, le régime d ’écoulement est dit fluvial,Si F = 1, le régime d’écoulement est dit critique,Si F > 1, le régime d’écoulement est dit torrentiel.
3
22
S.gB.Q
g.hV
Fr ==
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 86
LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
Si le régime d’écoulement est torrentiel, alors la hauteur d’eau est inférieure à la hauteur critique. Dans ces condition s, la céléritédes ondes est inférieure à la vitesse de l’eau et un e perturbation n’affecte les conditions d’écoulement qu’à l’aval de son point de départ.
Diffusion des ondes générées par l’enfoncement d’un caillou en régime torrentiel
44
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 88
45
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 89
LES REGIMES D’ÉCOULEMENT
Si le régime d’écoulement est fluvial, alors la hau teur d’eau est supérieur à la hauteur critique. Dans ces conditions, les ondes se propagent plus vite que l’ eau et toute perturbation affecte les conditions de l’écoulement à la fois à l’amont et à l’aval de son po int de départ.
Diffusion des ondes générées par l’enfoncement d’un caillou en régime fluvial
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 90
46
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 91
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 92
Les rétablissements d’écoulements naturels
Les rétablissements d’écoulements naturels font appel à la théorie des écoulements à surface libre. Un écoulement est dit libre si, à sa partie supérieure, le liquide est soumis à la pression atmosphérique ; la ligne piézométrique est confondue avec le niveau du liquide.
47
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 93
Les écoulements sont classés selon deux types:
- les écoulements uniformes
- les écoulements graduellement variés
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 94
- les écoulements uniformes :Un écoulement est uniforme si la pente, la section transversale (forme et nature des parois) et la vitesse sont constantes.
(ex : ouvrages d’assainissement de plate-forme)
Dans de telles conditions, on peut appliquer la formule de MANNING - STRICKLER :
Q K Rh I S= × × ×2 3 1 2/ /
48
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 95
- les écoulements graduellement variés : Un écoulement est graduellement varié si ses différents paramètres (pente, section transversale et vitesse) varient de façon continue, progressive et lente.
Dans de telles conditions, on applique l’équation de BERNOUILLI :
H z yV
gC te= + + =
2
2
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 96
L’équation de BERNOUILLI :
avec :H : charge en mètre z : cote d’un point quelconque du fondy : hauteur piézométrique V : vitesse de l’eau en m/sg : accélération de la pesanteur
H z yV
gC te= + + =
2
2
49
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 97
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 98
( )V
g
1
2
2( )V
g
1
2
2
Plan de référence
H
1 2
( )V
g
2
2
2
y1
z1
Ligne de charge
Ligne piézométrique :surface libre
fond
y2
z 2
∆ H
50
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 99
• Ligne de charge écoulement uniforme
Ligne de charge
Surface libre
z
h
2g
V 2
λ
Fond du canal
Niveau de référence
Fond
Z1
H1
H2
Z2
h1
h2
λV2g
22λ
V2g
12
E1 E2
∆E
Surface libre
Ligne de charge
• Ligne de charge écoulement graduellement varié
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 100
On peut écrire que la charge H entre le point 1 et 2 est constante aux pertes de charges près soit :
Pour simplifier, si on considère le fond comme plan de référence, l’équation devient :
Hs représente la charge spécifique.
Comme on obtient
H z yV
gz y
V
gH= + + = + + +1 1
1
22 2
2
2
2 2( ) ( )∆
VQ
S= H s y
Q
g S= +
2
22
Hs yV
gCte= + =
2
2
51
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 101
Hs
Hc
y1 yc y2
Q = co
nstan
te
Torrentiel Fluvial
y2
yc
y1
L
45
H
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 102
52
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 103
On constate que la charge spécifique passe par un minimum pour une hauteur d’eau yc appelée hauteur critique .
La profondeur critique est racine de l’équation :
Si la charge H est supérieure à la charge critique, l’écoulement peut se faire de deux manières : y1 et y2.
Si la profondeur de l’eau est faible : y1 < yc alors la vitesse est grande.
Si la profondeur de l’eau est forte : y2 > yc alors la vitesse est faible.
On définit ainsi deux régimes d’écoulement possibles :- le régime torrentiel (y < yc) - le régime fluvial (y > yc).
Q L
g S
2
3 1=
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 104
53
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 105
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 106
Régime fluvial : l’énergie cinétique est faible, la hauteur d’eau est importante, la vitesse est faible, on dit qu’on se trouve en contrôle aval .
Régime torrentiel : l’énergie cinétique est importante, la hauteur d’eau est faible, la vitesse est forte, on dit qu’on se trouve en contrôle amont .
54
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 107
Lorsqu’on passe du régime torrentiel aurégime fluvial, il y a création d’un ressautqui est générateur d’affouillements, etpeut mettre en péril la stabilité del’ouvrage. Cela montre l’importance de connaître lanature du régime d’écoulement résultantde l’ensemble thalweg amont - ouvragehydraulique - thalweg aval.
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 108
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 109
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 110
56
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 111
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 112
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 113
La hauteur critique yc ne dépend, ni de la pente,ni de la rugosité du canal. Elle ne dépend quede la forme du canal et du débit Q à évacuer. Donc pour un débit donné Q, yc est déterminéetandis que yn dans l’ouvrage varie avec la pente I,on peut pour ce débit déterminer une pente critique Ic pour laquelle la profondeur normale yn( ) est égale à la profondeur critique yc ( )
D’où :Ic
g S
K Rh Lcritique= 2 4 3/
Q K Rh I S= × × ×2 3 1 2/ /
Q L g S2 3=
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 114
On peut donc affirmer que le débit capable d’un ouvrage n’est plus fonction de sa pente dès que celle-ci est supérieure à la pente critique.
Un ouvrage ne peut débiter plus qu’il ne peut absorber.
Le « débit capable » réel reste constant dès que l’on a atteint la pente critique.
58
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 115
Les différents régimes d’écoulement
Plusieurs cas de figures peuvent seprésenter :
- Régime fluvial dans le cours d’eau
- Régime torrentiel dans le cours d’eau
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 116
Régime fluvial dans le cours d’eau
Cas 1 : régime fluvial dans l’ouvrage yn > ycLa ligne d’eau dépend des conditions aval
-sous-cas 1.1 : haval < yc
On compare alors H2 à la hauteur admissible et on modifiel’ouvrage le cas échéant. Cette surélévation des ea ux est appeléeremous d’exhaussement et la ligne d’eau est la lign e de remous .
Régime fluvial dans l'ouvrage
hayc yn
Régime fluvial aval
h11 2
h2 H2
( )H h KeV
g2 1 1
2
2
= + +
59
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 117
-sous-cas 1.2 : haval > yc- si haval est supérieure à la génératrice supérieure de la bu se, l’écoulement se fait en charge et il faut modifier l’ouvrage.- suivant que haval est supérieure ou non à yn , on aura des lignes d’eau différentes :si ha 1 < yn ligne d’eau 1 avec
si ha 2 > yn ligne d’eau 2 avec
( )H h KeV
g2 1 1
2
2
= + +
( )H ha KeV
g2 2 1
2
2
= + +
yc
avec Réaction Aval si ha > ynOuvrage en Régime Fluvial
1
ha1
F
yn h1
2
ha2
2
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 118
Cas 2 : régime critique dans l’ouvrage yn = yc
Nous sommes en présence d’un régime critique instable, ce cas de figure est à éviter à priori.
60
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 119
Cas 3 : régime torrentiel dans l’ouvrage yn < ycLa ligne d’eau dans la buse dépend des conditions
amont.
Dans ce cas de figure, il se forme un ressaut qui e st à éviter. Cephénomène est observé lorsqu‘une partie tranquille succède à unepartie torrentielle. On augmentera l’ouverture ou o n diminuera lapente de l’ouvrage afin d’obtenir un régime fluvial dans l’ouvrage.
yn
Régime Aval Fluvial
ha Ressautyc
h1h2 H2
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 120
Régime torrentiel dans le cours d’eau
Cas 1 : régime torrentiel dans l’ouvrage yn < ycLa ligne d’eau dépend des conditions amont
Le calcul de H2 est inchangé mais on prendra pour hauteur d’eau dans la buse h1 = yc d’où la charge à l’amont.
Ouvrage en Régime Torrentiel
Régime Aval Torrentiel
ha yn
1
yc h1
2
h2 H2
61
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 121
Cas 2 : régime fluvial dans l’ouvrage yn < yc
Ce cas de figure est à proscrire, il se forme un ressaut à l’entrée de l’ouvrage qui en se dissipant risque de détruire notre ouvrage routier.
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 122
Choix du coefficient d’entonnement
Les pertes de charge par rugosité sont négligées pour lesouvrages courts (Longeur < 30 m) dans les calculspar rapport à la perte de charge singulière due à l’entonnement quis ‘écrit :
Le coefficient de forme Ke varie selon le type de l’entrée de l’eaudans l’ouvrage. On peut prendre les valeurs dans le tableausuivant :
p d c K eV
g. . . =
2
2
TYPE DE L’ ENTREE KeExtrémité en saillie (schéma1) 0,9Extrémité taillée en sifflet (schéma 2) 0,7Extrémité avec mur de tête et murs en aile (schéma 3) 0,5
62
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 123
Ke = 0,9 Ke = 0,7
Ke = 0,5
Schéma 3 - Extrémité avec mur de tête et murs en aile
Ces coefficients de forme Ke repris ci-dessus ne tiennent pas compte d’un rétrécissement parfois important de l’écoulement dû au remblai routier et à l’ouvrage . Aussi pour ces cas de figures plus complexes, on peut utiliser la formule de BRADLEY. En effet, Ke peut atteindre des valeurs beaucoup plus élevées ( de 2 à 3 ).
Schéma 2 - Extrémité taillée en sifflet
Schém a 1 - Extrém ité en sa illie
R adie rfacu lta tif
re tou r
M u r p ara fo u illefacu lta tif
M u r e n
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 124
Méthode de calcul :
1 - Nature de l’écoulement dans le fossé aval parcomparaison de hn et hc.
Si l’écoulement aval est fluvial conserver un régime fluvial dans l’ouvrage.
2 - Choisir un ouvrage :pente et dimension
Cela dépend des contraintes propres au projet.
3 - Vérifier la nature de l’écoulement dans l’ouvrage. Éventuellement modifier le choix
63
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 125
Méthode de calcul :
3 - Vérifier la nature de l’écoulement dans l’ouvrage. Eventuellement modifier le choix
4 - Calculer la section mouillée
5 - Calcul de la vitesse: Vérifier V < 4 m/s.
6 - Calcul de la hauteur amont
Ham = y + (1 + ke) V²2g
Vérifier que la hauteur amont est acceptable vis à vis des contraintes du projet.
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 126
LES BASSINS DE RETENUELES BASSINS DE RETENUELES BASSINS DE RETENUELES BASSINS DE RETENUE
64
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 127
HISTORIQUE• Atteintes des limites de l’assainissement
classique�� Gestion de débits plus importantsGestion de débits plus importants�� Augmentation des diamètres des Augmentation des diamètres des
canalisationscanalisations�� Développement de l’urbanisationDéveloppement de l’urbanisation• Conséquences de l’assainissement
classique�� InondationInondation�� PollutionPollution�� Nappes non alimentéesNappes non alimentées
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 128
DéfinitionLes bassins de retenue sont des ouvrages destinés à régulariser les débits reçus de l’amont afin de restituer à l’aval un débit compatible avec la capacité de l’exutoire.
65
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 129
Principes de fonctionnementAu niveau des principes, ces ouvrages sont à consid érer selon trois
fonctions :-écrêtement des pointes d’orage-rétention temporaire destinée à maîtriser les débo rdements-restitution des volumes stockés à faible débit
Variation de débitsen l /s
Tempsen heure
Débit de vidange
Debit de pointeEcrétement de l’hydrogramme
Restitutiondans le temps
Schéma du mécanisme de la retenue
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 130
DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE : Les DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE : Les DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE : Les DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE : Les modmodmodmodèles globauxles globauxles globauxles globaux
• Méthode des pluies et méthode des volumes :
Ces méthodes, conseillées par l'Instruction technique de 1977, ont pour objectif de permettre de dimensionner facilement les volumes des ouvrages de stockage.
66
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 131
Le coefficient dLe coefficient dLe coefficient dLe coefficient d’apportapportapportapport
Le coefficient d’apport Ca permet de calculer le volume d’ouvrages de stockage. Il indique la fraction de la pluie tombée sur le bassin versant parvenant à l’exutoire.
L’évaluation précise de Ca est délicate et doit tenir compte des conditions hydrogéologiques locales. Sa détermination reposera de préférence sur le rapport entre la mesure des volumes écoulés par l’émissaire et la mesure de volume de pluie brute.
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 132
• Détermination du coefficient d’apport :
avec :Vb : volume de pluie brute sur l'unité hydrologiqueVr : volume de ruissellement récupéré à l'exutoire de l'unité
hydrologique au cours d'un épisode pluvieux
b r / VV=Ca
Le coefficient dLe coefficient dLe coefficient dLe coefficient d’apportapportapportapport
67
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 133
Dès lors que le bassin est hétérogène et contient d es zones naturelles son évaluation est délicate.
A défaut d’étude spécifique : – On peut considérer pour un bassin versant routier
que Ca est équivalent au coefficient de ruissellement pondéré de la plate-forme routière.
– Pour la reprise d’un bassin versant naturel, la détermination du Ca peut être évaluer par l’utilisation d’un nomogramme ( cf ci-après).
Le coefficient dLe coefficient dLe coefficient dLe coefficient d’apportapportapportapport
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 134
Autre exemple d’évaluation du coefficient d’apport (Ca) pour des bassins versants naturels
•Pour l’ utilisation du nomogramme, on divise le bassin en éléments homogènes auxquels on affecte des Ca en fonction de la nature géologique des sols et du pourcentage de couverture végétale
(1) Sols imperméables
(2) Sols plutôt imperméables
(3) Sols plutôt perméables
(4) Sols perméables0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Formule de pondérationdes coefficients
(1)
(2)
(3)
(4)
Pourcentage de couverture végétale
Val
eurs
ap
pro
chée
s d
es c
oef
fici
ents
d
' app
ort
SSC
=Caii∑
Le coefficient dLe coefficient dLe coefficient dLe coefficient d’apportapportapportapport
68
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 135
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
Hypothèses:
- débit de fuite de l'ouvrage de stockage constant
- transfert instantané de la pluie àl'ouvrage de retenue (méthode applicable que pour des bassins versants relativement petits : quelques dizaines d’hectares, et ne contenant aucun ouvrage de stockage et de régulation existant)
- événements pluvieux indépendants
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 136
Application de la méthode des pluies :1. Etablissement de la courbe « hauteur - durée - fréquence »
locale pour la période de retour choisie avec la formule de Montana :
h (k.∆t,T) = im(k.∆t,T) × k.∆t= a × (k.∆t)(1-b)
h (k.∆t,T) : Hauteur d’eau en mmk.∆t : intervalle de temps en minutes de pluie (∆∆∆∆t est le
pas de mesure) im: intensités moyennes maximales de pluiea et b : coefficients de montana (a et b > 0)T : Période de retour de la pluie
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
69
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 137
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 138
hauteur précipitée
d
T=2 ans
T=5 ans
T=10 ans
Courbe Hauteur-durée-fréquence
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
70
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 139
2. Etablissement de la courbe de la hauteur d’eau vidangée cumulée en fonction du temps à partir du débit de fuiteQssupposé constant avec :
avec :qs : débit spécifique en mm/hQs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/sSa : surface active de ruissellement alimentant
l'ouvrage de stockage en haSa = Ca . S
avec :S : surface totale du bassin versant drainéCa : coefficient d'apport
a
ss S
Q360=q
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 140
hauteur d'eau évacuée
h (k.
q .k.s
h (q ,T)max s
k.
∆ t
∆ t
∆ t ,T)
La hauteur d'eau évacuée par le système de vidange du bassin s'écrit :
courbe de la hauteur d’eau évacuée cumulée H(k. ∆t)
H (k.∆t) = qs ×××× (k.∆t)
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
71
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 141
3. Détermination de la plus grande valeur de∆hmax (différence maximale entre la hauteur vidangée et la hauteur précipitée)
hauteur d'eau évacuée
h (k.
q .k.s
h (q ,T)max s
k.
∆t
∆t
∆t ,T)
Superposition de la courbe Hauteur-durée pour une fréquence choisie et de la
courbe de la hauteur d ’eau vidangée cumulée
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 142
4. Calcul du volume utile de stockage V en m3
avec :V : volume d'eau à stocker en m3
∆∆∆∆hmax : hauteur totale à stocker en mmSa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage
de stockage en ha
amax S ∆h 10 =V ××××××××
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
72
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 143
Application de la méthode des pluies : Méthode numérique
Calcul de tmax :( )( )
0dt
t.q-thd s =( )
0dt
t.q-a.td sb-1
= ( ) 0q-tb-1a s-b =
( )b
smax b-1a
qt
1−
=
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
b1
a
smax )b1(aS
Q60000t
−
−×××=
d’où
avec : tmax : temps de remplissage du bassin en minutesQs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/sSa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en m2
a et b : coefficients de montana (a et b > 0) pour une intensité de pluie i exprimée en mm/min.Remarque importante: Le temps de remplissage doit être dans l’intervalle de validité des coefficients de Montana utilisés.
donc
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 144
Calcul de ∆hmax:
D’où le volume d'eau à stocker en m3 :
(((( )))) maxsmaxmax t.qtHH −−−−====∆∆∆∆
(((( )))) maxs-b
maxmax tq-taH ××××××××====∆∆∆∆
( ) 10××××= amaxs-b
max Stq-taV
MMMMéthode des pluiesthode des pluiesthode des pluiesthode des pluies
maxs
b
a tQta
SV ××−××=−
601000
1
Soit :avec : tmax : temps de remplissage du bassin en minutesQs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/sSa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en m2
a et b : coefficients de montana (a et b > 0) pour une intensité de pluie i exprimée en mm/min.
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Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 145
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
Hypothèses:
- le débit de fuite de l'ouvrage de stockage constant
- transfert instantané de la pluie à l'ouvrage de retenue
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 146
Application de la méthode des volumes :1. Etablissement de la courbe des hauteurs cumulées sur la
durée d'analysehauteurs cumulées
temps
Année
Episode 1
Episode 2
Episode j
qs
qsh ( )i j
i
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
74
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 147
Réalisation d’un classement fréquentiel de ces valeurs maximales∆hmax
avec :α α α α et ββββ : coefficients empiriques.r : rang de l’événementTi : période de retour empirique de l'événementN : nombre d’années d’observation
ββββ++++αααα−−−−====
Nr
Ti
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 148
2. Etablissement des courbes permettant la détermination
de la hauteur spécifique
T=10 ans
T=5 ans
T=2ans
qsh ( ,T)max
q s
Courbes permettant la détermination de la hauteur spécifique
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
75
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 149
3. Détermination du débit spécifiqueà partir du débit de fuite Qssupposé constant et de la surface active avec :
avec :qs : débit spécifique en mm/hQs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/sSa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage
de stockage en haSa = Ca . S
avec :S : surface totale du bassin versant drainéCa : coefficient d'apport
a
ss S
Q360=q
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 150
4. Détermination de la capacité spécifique de stockage ∆hmax avec :
T=10 ans
T=5 ans
T=2ans
qsh ( ,T)max
q s
∆∆∆∆hmax
en mm
qs en mm/h
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
76
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 151
5. Calcul du volume utile de stockage V en m3
avec :V : volume d'eau à stocker en m3
∆∆∆∆hmax : hauteur totale à stocker en mmSa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage
de stockage en ha
amax S ∆h 10 =V ××××××××
MMMMéthode des volumesthode des volumesthode des volumesthode des volumes
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 152
Abaque Ab7 de l'Instruction technique de 1977 :
Le guide conseille de ne plus utiliser cet abaque Ab7
77
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 153
LIMITES D’UTILISATION DE CES METHODES• La méthode des volumesne définit que 3 régions
pluviométriques et ne prend pas en compte la pluviométrie locale.
• La méthode des pluiesutilise des courbes enveloppes définies à partir de courbes IDF en fonction de données locales pluviométriques.
• Ces méthodes sont applicables pour des surfaces de bassins versants de taille modeste < 200 à 300 ha.
• La méthode des débits consiste à simuler les écoulements au travers de modèles mathématiques (logiciels de calcul) et n’a pas de contrainte de surface.
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 154
REGULATION DU DEBIT SORTANT
Il existe deux possibilités :- par la mise en place d’un orifice calibré- par l’installation d’un régulateur de débit
78
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 155
DIMENSIONNEMENT D’UN ORIFICE CALIBRE
Il s’agit d’un simple ajutage délivrant un débit de fuite en fonction d’une hauteur d’eau amont
Formules utilisées :
d’où
avec :Qf = débit de fuite en m 3/s= coefficient de contraction égal à 0,6 à 0,8
S = Surface de l’orifice en m²h = hauteur moyenne de charge en mg = accélération de la pesanteur soit 9,81 m.s -2
Qf S gh= × ×µ 2
µ
SQf
gh=
µ 2
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 156
DIMENSIONNEMENT D’UN ORIFICE CALIBRE
Le diamètre de l’orifice calibré est obtenu en
utilisant les formules suivantes :
d’où
avec D : diamètre de l’orifice calibré en mS : surface de l’orifice calibré en m²
SD
=π 2
4D
S=
4
π
79
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 157
REGULATEUR DE DEBIT
Il s’ agit d’un appareil couramment utilisé, permettant de contrôler le débit de fuite à une valeur constante.
Il existe différents types de régulateurs :- La prise d’eau s’effectue en surface par un
avaloir maintenu par des flotteurs - la régulation est réalisée par un obturateur
à flotteur
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 158
remarques :Le régulateur de débit permet d’obtenir un débit de
fuite constant dès le début de l’épisode pluvieuxPar contre, pour un orifice calibré, le débit de fu ite
varie selon la charge d’eau dans le bassin. Pour tenir compte de ce problème, on majore le volume utile.
*
• formule utilisable qu’en région I
V Vu= × 123,
80
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 159
PROFIL HYDRAULIQUE D’UN BASSIN DE RETENUE
Mar
nage
fond de bassin
Cloison siphoide
Zone de SédimentationBassin versant routier
Arrivée
Radierd'entrée
Bassin de rétention
Débit de fuite
( pollution accidentelle )
Vanne d'obturation
P = 1%0,3
m
Ouverture Calibrée
P 1%
0,2
m
arrivée duby pass
Regard de By passmuni de vannes
Rejet
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 160
Coupe type d’un orifice calibré
81
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 161
RRRRégulateur de dgulateur de dgulateur de dgulateur de débit bit bit bit à seuil flottantseuil flottantseuil flottantseuil flottant
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 162
Obturateur variable à flotteur
82
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 163
Obturateur variable à flotteur (vue en plan)
Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 164
Bassin d’eaux pluviales autoroutier étanche par géomembrane, avec débit régulé par seuil flottant