17) S. Lacroix _Performances Des Hausses Fusibles

5/10/2018 17) S. Lacroix _Performances Des Hausses Fusibles - slidepdf.com

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PERFORMANCES DES HAUSSES FUSIBLES DANS

DES CONDITIONS PARTICULIERES D’OPERATIONAuteurs :

Sébastien LACROIX

Ugo SPINAZZOLA

Hydroplus

5, cours Ferdinand de Lesseps

92500 RUEIL MALMAISON

France

Résumé : Le système des hausses fusibles constitue une alternative aux vannes et clapets conventionnels ayant fait de nombreuses publications techniques. Les hausses ont fait l’objet d’études expérimentales et théoriques afin d’apprécier leur comportement dans des conditions d’opération particulières, telles que glace et séisme. Par ailleurs, de plus en plus de projets en cours d’étude intègrent le

regroupement des puits d’alimentation dans une enceinte dédiée. L’article décrit l’aménagement associé, détaille les avantages induits et présente deux projets où un tel système a été mis en place.

1. FONCTIONNEMENT DES HAUSSES FUSIBLES

Les hausses fusibles constituent une solution alternative aux systèmes mécaniquesconventionnels (vannes, clapets, boudins gonflables) ou aux systèmes plus rustiques(digues fusibles, barrages à aiguilles).

Les hausses fusibles sont des modules indépendants, juxtaposés sur le seuil dudéversoir d’un barrage. Le dimensionnement et la géométrie des hausses fusibles,spécifiques à chaque projet, leur permettent de rester stables et de résister àcertaines charges exceptionnelles (vagues, corps flottants, poussées de glace,séismes, etc.).

En condition normale, les hausses fusibles se comportent comme un rideau étanchepermettant le stockage de l’eau jusqu’à leur crête. Pour toutes les crues inférieures àla crue de déclenchement, dont la valeur est fixée par le client (généralement cruesde période de retour supérieure à 100 ans), les hausses agissent comme un seuillibre déversant.



Puits d’alimentation

Seuil du déversoir

Butée aval

Joint d’étanchéité

Alvéole aval

Crête déversanteAuge

Joint latéral

Vue 3D d’une hausse type

Chaque hausse est équipée d’un puits calé pour coïncider avec un niveau deretenue prédéterminé. Lorsque ce niveau est atteint dans la retenue, l’eau pénètredans un puits et s’accumule dans une chambre située sous la base de la hausse, cequi créé une sous-pression qui déstabilise la hausse fusible et la fait basculer. Àmesure que les hausses fusibles basculent, la brèche par laquelle l’eau peuts’échapper s’accroît, soulageant le barrage de la pression ou d’un déversementexcessif qui pourrait l’endommager.

Le fait que la hausse fusible soit simplement posée sur le seuil amène à s’interrogersur la stabilité du module sous l’effet d’actions de forces exceptionnelles (notamment

glace et séisme). Le regroupement des puits dans une tour de prise constitue unefaçon intéressante d’accroitre la précision de fonctionnement des hausses fusiblestout en réduisant l’impact des corps flottant sur le bon fonctionnement du système.

2. EFFET DE LA GLACE

2.1 PREAMBULE

Des essais sur modèle réduit au sein des laboratoires du « National ResearchCouncil » de Saint John’s (Canada) et du « Institute of Energy Structures » deMoscou (Russie) ont permis d’étudier le comportement des hausses fusibles dansles régions très froides où le réservoir est entièrement gelé en hiver et où le coursd’eau charrie au printemps d’importantes quantités de blocs de glace1.

1 Ces essais ont fait l’objet de nombreuses publications (voir notamment l’article « the reliability of

fusible gates in ice-affected environments » publié dans la troisième édition du magazine Hydropower& Dams de 1996)



2.2 EXPANSION THERMIQUE

Du fait de l’expansion thermique, la prise en glace du réservoir peut induire desefforts significatifs sur le barrage et les dispositifs connexes. Au Canada parexemple, des poussées de 150kN par mètre linéaire sont considérée pourdimensionner des structures rigides et de 70 kN par mètre linéaire pour desstructures flexibles (telles que vannes).

Ces efforts sont susceptibles d’amorcer un débit de rotation de hausses fusiblesinstallées sur des ouvrages subissant de telles conditions climatiques, principalementlorsque le niveau d’eau dans le réservoir est au niveau de la crête des haussesfusibles. Les essais sur modèle réduit ont montré que, dans ce cas, une importantecontrainte en flexion est générée sur la couche de glace en fonction de l’angle de

rotation de la hausse fusible, jusqu’à provoquer la rupture de la couche de glace (voirschémas ci-après). La rotation de la hausse est insuffisante pour générer sonbasculement irréversible. Ces essais ont permis de caler une approche théoriquebasée sur l’étude de la compression d’une poutre semi-infinie.

Du fait de son expansionthermique, la glacepousse la hausse fusible.

Si cet effort devientsuffisamment fort, lahausse commence àpivoter autour de cesbutées. Auquel cas, lacouche de glace fléchit.

Pour un angle de rotationdonné (0,5° a 1,0°); lacouche de glace casse etla hausse revient enplace.

Des essais similaires ont été menées afin d’apprécier les conditions de stabilité de lahausse fusible du fait de la variation du niveau d’un reservoir entièrement gelé (la

couche de glace adhèrant à la hausse fusible). Dans ce cas également, la couche deglace casse à l’amont de la hausse fusible sous l’effet de la contrainte induite parl’armorce de rotation.

2.3 EXEMPLE D’APPLICATION

Le barrage de Khorobrovskaya est un barrage hydroélectrique achevé en octobre2001 situé à 120 km au nord de Moscou en Russie. Son déversoir est constitué d’unseuil libre de forme labyrinthe et de deux passes équipées de manière à pouvoir

F x

F x F x

F x

F x

M y

M y



tester le comportement de hausses fusibles de 1,80m de hauteur en conditionsréelles.

Ce projet inclut différents dispositifs permettant d’améliorer la tenue des haussesfusibles à la glace :- le niveau de retenue normale a ainsi été calé 10cm sous le niveau de la crête

des hausses fusibles afin de limiter l’accumulation de glace sur la face aval,- le seuil inclut deux passes équipées chacune de deux hausses fusibles afin de

limiter la longueur de hausses fusibles exposée à la couche de glace (l’insertionde piles intermédiaires réduit la poussée exercée sur les hausses fusibles)

En dépit de conditions sévères (réservoir gelé sur une profondeur de 60cm), nidésordre ni déplacement n’ont été constaté depuis l’installation des hausses fusiblesen 2001.

Hausses fusibles sur le barrage de Khorobrovksaya

3. EFFET DES SEISMES

3.1 APPROCHE THEORIQUE

Les hausses fusibles, étant simplement posées sur le seuil, ont un comportementaux séismes souvent meilleur que les vannes mécaniques.

L'influence des séismes sur la stabilité des hausses fusibles a été étudiée par PierreLonde2 sur la base d’une approche pseudo statique3. La stabilité de la hausse fusibleest appréciée en comparant la résultante (MOVS) du moment des forces ayant uneffet déstabilisant en prenant en compte les charges sismiques à la résultante dumoment (MST) des forces ayant un effet stabilisant.

2 Pierre Londe fut notamment président du Comité International des Grands Barrages (CIGB) et co-président du Comité Français des Barrages et Réservoir.3Voir "Design of Small Dams" du Bureau des Réclamation (voir pages 322 à 326 de la troisième

édition)



3.2 CALCUL DU MOMENT DES FORCES SISMIQUES

Les charges sismiques additionnelles sont calculées en fonction de l'accélération dusol liée au séisme (composante horizontale ahg et verticale avg) grâce aux formulesci-après :

Intitulé Force (en N) Moment (en N.m)

Fh : Force horizontale,appliquée au centre de

gravité de la hausseFh = ah.g.PH M (Fh) = Fh .XG

Fv : Force verticale, appliquée

au centre de gravité de lahausse

Fv = av.g.PH M (Fv) = Fv .ZG

Pz : Pression hydro-dynamique additionnelle du

volume d’eau mis enmouvement du fait du séisme

Calculée grâce à la formule deWestergaard :

Pz = 0,583.ah.g.ρ.(d+s)0,5.d1,5.LM (PZ) = 0.40.Pz.d

avec : PH poids de la hausse (en kg)XG distance du centre de gravité de la hausse à la butée sur l’axe

horizontalZG distance du centre de gravité de la hausse à la butée sur l’axe verticalρ masse volumique de l’eau (en kg/m3)d hauteur de l’eau à l’amont du déversoir par rapport au seuil (en m)s pelle à l’amont du seuil (en m).L largeur de la hausse (en m)

Le moment déstabilisant global Movs est alors:M ovs = M ov + M (Fh) + M (Fv) + M (PZ)

avec : M ov moment déstabilisant hors charges sismiques (en N.m)

Si MOVS est plus petit que MST, il n’y a pas de mouvement de la hausse sur le seuil.Dans le cas contraire, l’accélérographe du séisme doit être utilisé afin d’étudier lesdéplacements de la hausse fusible par rapport aux butées.

3.3 TENUE DES HAUSSES FUSIBLES LORS DE SEISMES

Quatre ouvrages équipés de hausses fusibles sont situés à moins de 80 kilomètresde l’épicentre du séisme de magnitude 7.6 qui à frappé en janvier 2001 le nord ouestde l’état du Gujarat en Inde. Les inspections menées suite à cet événement n’ontrévélé aucun déplacement des hausses fusibles mesurant de 1,00m à 1,60m dehauteur.



Des hausses fusibles de 6,50m de hauteur équipent le barrage de Terminus situé enCalifornie. L’étude des effets du séisme de dimensionnement (ah MDE = 0.15 et av MDE = 0.10) a montré l’absence de déplacement des hausses fusibles. Les hausses

fusibles ont cependant été équipées de butées latérales bridant leur déplacement.Ce système peut être reconduit sur des projets en zone sismique.

4. VAGUES ET DEBRIS : UTILISATION D’UNE TOUR DE PRISE D’EAU

4.1 DESCRIPTION DE LA TOUR DE PRISE D’EAU

De manière classique, les puits sont positionnés directement sur les haussesfusibles. Un certain nombre de projets considère une variante consistant à regrouperles puits dans une enceinte (appelée tour de prise d’eau) dédiée dissociée des

hausses fusibles et usuellement implantée en périphérie du seuil.

La tour de prise d’eau est une enceinte fermée intégrant dans sa partie haute unévent. Elle communique librement avec le réservoir grâce à un pertuis pratiqué danssa partie basse ou éventuellement à une conduite allant puiser l’eau à l’amont duseuil. L’utilisation d’une conduite est notamment considérée pour s’affranchir desincertitudes liées à la dynamique de l’écoulement à l’amont de seuils présentant defortes vitesses d’approche. Le niveau d’eau dans la tour de prise d’eau est donc égalau niveau du réservoir loin à l’amont moins les pertes de charges (normalement trèsfaibles) à travers le pertuis et la conduite éventuelle.

Ci-dessus : Tour de prise d’eau type

La tour de prise d’eau abrite les différents puits calés en altimétrie par rapport auniveau de basculement. Chacun de ces puits est relié à la hausse fusible associéepar l’intermédiaire d’un tuyau d’interconnexion noyé dans le béton du seuil (oucourant le long de la face amont du seuil). Le diamètre du tuyau est usuellement

Puits

Tour de prise d’eau

Débouché d’un tuyau

d’interconnexionSeuil

Conduit (Facultatif)



calibré en fonction de contraintes de maintenance, des pertes de charge relativesadmissibles et de la taille de la hausse fusible.

La tour de prise d’eau doit être dimensionnée de manière à préserver un espaceadapté entre les puits (typiquement 5% à 10% de la hauteur de la hausse fusible) età permettre une inspection aisée. En fonction de la configuration du déversoir et dubarrage, la structure de la tour de prise d’eau peut se résumer à une simple tôlenervurée ancrée sur le parement amont du barrage et ouverte dans sa partieinférieure de manière à générer une zone d’eau morte. Sur des projets pluscomplexes, la tour de prise d’eau s’apparente à une véritable tour construite enbéton armé.

4.2 AVANTAGES

- Débris : L’implantation conventionnelle des puits sur les hausses fusiblesconduit à obstruer la section de passage de l’écoulement au-dessus deshausses fusibles ce qui favorise la rétention et l’accumulation de corps flottantsà l’amont du seuil. Des essais ont montré que cette accumulation a un impactlimitée sur le fonctionnement des hausses fusibles, mais peut cependantréduire l’efficacité hydraulique de leur crête avec des répercussions sur lapériode de retour des basculements. L’utilisation d’une tour de prise d’eaupermet l’évacuation sans obstruction des corps flottants par simple surverse au-dessus de la crête des hausses fusibles et réduit donc ce risque.

- Vagues : L’incidence des vagues a été étudiée au laboratoire d’EDF à Chatou

pour apprécier ces phénomènes. Les vagues peuvent générer une alimentationintempestive et intermittente des puits portés par les hausses fusibles avec unrisque de basculement anticipé. Or le niveau dans une tour de prise d’eau estd’autant plus préservé des phénomènes de surface que le pertuis est situé eneaux profondes, jusqu’à devenir constant lorsque le pertuis est situé à uneprofondeur supérieure à la moitié de la longueur d’onde des vagues. Il est ainsipossible d’ajuster la profondeur du pertuis de manière à s’affranchir de vaguesayant des caractéristiques données.

- Précision de fonctionnement : Le profil de la lame déversante au droit du puitsd’alimentation sur un projet donné est fonction du niveau loin à l’amont, mais

est affecté par des phénomènes non permanents liés à la dynamique del’écoulement et à l’éventuelle vague d’étrave. L’alimentation du puits est doncdiscontinue et saccadée ce qui limite la précision de fonctionnement dusystème. Par ailleurs, le calage du niveau du puits porté sur la hausse fusibleen fonction du niveau de basculement est difficile à réaliser précisément sansrecourir à des essais sur modèle réduit lorsque les conditions d’approcheinduisent de fortes vitesses. L’utilisation d’une tour de prise d’eau permet deréduire fortement ces effets.



- Vandalisme : Regrouper les puits dans une enceinte fermée réduit le risqued’obstruction volontaire des puits susceptible d’entraver le bon fonctionnementde la hausse fusible.

4.3 EXEMPLES

- Barrage de Terminus : Le barrage de Terminus est situé aux Etats-Unis, dansl’état de Californie, à l’aval immédiat du parc national des séquoias géants,l’espèce d’arbre la plus volumineuse sur la planète. Le maitre d’ouvrage4 adécidé de rehausser le niveau de retenue normale grâce à des haussesfusibles labyrinthe de 6,50m de hauteur et de 420 tonnes. L’utilisation d’unetour de prise d’eau s’est avérée requise afin d’éviter qu’un impact de séquoiagéant dérivant ne vienne détruire la structure d’un puits porté sur la haussefusible. Le projet a fait l’objet d’essais sur modèle réduit qui ont démontré le bon

fonctionnement des hausses fusibles, mais aussi la pertinence de la tour deprise d’eau en réponse aux problématiques du projet.

Vue schématique aérienne du déversoir (gauche) et déversoir équipé (droite)

La tour de prise d’eau de section L=12m x l=9m est implantée en rive droite duseuil. Elle contient les six puits réalisés en acier inoxydable et reliés à chacunedes hausses fusibles par des tuyaux d’interconnexion de section circulaire (Φ 900mm) noyés dans le béton du seuil. La tour de prise d’eau est par ailleursreliée au réservoir à l’aide d’un conduit de 110m de longueur et de section

rectangulaire (L=3,60m x H =2,00m) posé sur le fond du canal d’approche etprotégé à l’amont par une prise d’eau.

- Barrage de Puylaurent : Le barrage de Puylaurent est le plus grand ouvrage deretenue construit en France ces vingt dernières années. Conçu initialementavec trois passes de 14,00 m de largeur à seuil libre, l’évacuateur a été réduit àdeux passes de 15,60 m de large par l’utilisation de huit hausses fusibles de1,10 m de hauteur.

4 US Corps of Engineers

Tour de prise d’eau

Conduit



L’utilisation d’une tour de prise d’eau permet également de gagner de laprécision lors des déclenchements, de s’affranchir de la gêne occasionnée parles corps flottants et d’éviter certains actes de vandalisme. La conception

d’ensemble du projet a été dictée par l’intégration des contraintes de ladeuxième phase de l’opération qui visera à gagner un million de mètres cubesde capacité supplémentaire par le simple remplacement des hausses initialespar huit hausses de 2,60 m de hauteur.

La pile centrale et les piles latérales sont creuses de manière à former destours de prise d’eau de 17m² de surface contenant respectivement quatre etdeux puits de 3,50m de longueur. Un réseau de tuyauterie de diamètre 350mmnoyé dans le béton du seuil relie chacune des hausses fusibles à son puitsrespectif. Un point bas est prévu sur chacune de ces tuyauteries de manière àpermettre sa vidange à l’aide d’un conduit de 50mm de diamètre rejoignant

l’aval du seuil. Les tours de prise d’eau sont alimentées par des orifices situéssous le niveau de la retenue et équipés de barreaux espacés de 100mm.

Intérieur de la tour de prise d’eau centrale (gauche) et déversoir (droite)

5. CONCLUSION

La hausse fusible est un système de contrôle de déversoir alternatif aux vannesconventionnelles. De nombreux essais étayés par des réalisations ont démontré leur

bon fonctionnement dans des conditions d’opération à priori particulièrementdéfavorable, telles que séismes et glace.

L’intégration des puits d’alimentation des hausses fusibles dans une tour de prised’eau peut être une solution pertinente pour des projets présentant desproblématiques particulières (configuration du site, vagues, impacts, précision defonctionnement et vandalisme). Les avantages techniques éventuels sont ensuite àévaluer au regard de la complexité induite et des éventuels surcoûts associés.

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