CH 09 Ponceaux - grr.ulaval.ca · TYPESDEPONCEAUX 111 9.2.2 Forme de la canalisation hydraulique Lescanalisationshydrauliquespeuventêtreàcontourouvertoufermé(figure9.2).Lescanali-

CHAPITRE 9Ponceaux

9.1 INTRODUCTION

Un ponceau est une structure hydraulique aménagée sous un remblai qui permet le passage del’eau tout en permettant aux humains, animaux,machines et équipements de traverser le coursd’eau. Les ponceaux sont plus économiques à aménager que les ponts et c’est ce qui expliqueleur popularité.

Un ponceau (figure 9.1) est constitué d’une structure de canalisation hydraulique installée surun radier et recouvert d’un remblai.

Figure 9.1 Éléments constituant un ponceau.

Radier

Canalisation hydrauliqueRemblai

Il est à peu près impossible de bien planifier l’aménagement des cours d’eau en milieu rural,sans enmême temps considérer l’influence des ponceaux ou des ponts de ferme sur les caracté-ristiques de l’écoulement des eaux de ruissellement.

110 PONCEAUX

Ce chapitre traitera des sujets suivants:

1. la description des types de ponceaux,

2. l’hydraulique des ponceaux,

3. les courbes de performance,

4. le design,

5. la planification et la construction des ponceaux.

9.2 TYPES DE PONCEAUX

Les ponceaux sont caractérisés par leur forme, le type de matériaux utilisés et leur installationdans le remblai.

9.2.1 Matériaux utilisés

Le matériel utilisé pour la canalisation hydraulique est la tôle d’acier galvanisé ondulé, lebéton, le bois et le polyéthylène pour les ponceaux de petite taille. La base sur laquelle la cana-lisation hydraulique est installée est appelée le radier et elle est en béton ou utilise le matérieloriginel ou de remblai mais cematériel doit être suffisamment stable pour recevoir la structurede canalisation et les charges du remblai et des véhicules y circulant.

Le remblai est généralement constitué dematériel grossier (gravier, concassé et pierres de dif-férentes tailles. Dépendant de la hauteur du remblai, lematériel doit être compacté pourmieuxrésister à l’infiltration et à l’affouillement.

Figure 9.2 Formes de ponceaux.

RECTANGULAIRE VOUTÉ

CIRCULAIRE

Canalisations hydrauliques à contour ouvert

Canalisations hydraulique à contour fermé

RECTANGULAIRE ARQUÉELLIPTIQUE

TYPES DE PONCEAUX 111

9.2.2 Forme de la canalisation hydraulique

Les canalisations hydrauliques peuvent être à contour ouvert ou fermé (figure 9.2). Les canali-sations à contour ouvert sont principalement rectangulaires ou voutés. Les canalisations fer-mées sont de formes rectangulaire, circulaire, elliptique et arqué. Les canalisations rectangu-laires sont principalement en béton et parfois en pièces de bois. Les formes circulaires utilisentdes tuyaux en acier ondulé, en béton et pour les ponceaux de petite taille, en polyéthylèneondulé. Les formes elliptiques, arquées et voutées sont généralement en acier ondulé.

Pour les canalisations à contour ouvert, la base de la structure est installée sur une semelle ouun radier généralement en béton.

9.2.3 Type d’installation et entonnement

Les ponceaux sont aussi caractérisés par le type d’entonnement ou la configuration de l’entréde la canalisation hydraulique face à l’écoulement. Les types d’entonnement sont (figure 9.3) :

Saillant du remblai : La canalisation est installé au--dessus du radier et lematériel de rem-blai est déversé au--dessus de la canalisation. Compte tenu que le remblai doit respec-ter l’angle de repos du matériel, celui--ci a une pente et la longueur de la canalisationdoit être augmentée pour respecter cette réalité.

Mur de tête : Une structure verticale est installée à chaque bout de la canalisation pour yretenir lematériel de remblai. Cette structure peut être en béton, en pièces ou billes debois (d’intérêt en milieu forestier) ou en gabions. L’utilisation d’un mur de tête per-met de diminuer la longueur de la canalisation par rapport au remblai. Les murs detête sont fréquents avec les ponceaux rectangulaires en béton.

Figure 9.3 Type d’entonnement.

Tuyau en béton armé (TBA) Tuyau en tôle ondulée (TTO)

Saillant du ramblai

Mur de tête

Arête vivebout mâle

Arête vivebout mâle

Convergentbout femèle

Convergentbout femèle

Ke = 0,5

Ke = 0,5

Ke = 0,2

Ke = 0,2

Biseauté ll à lapente du remblai

Saillantdu ramblai

Mur de tête

Ponceau rectangulaire en béton armé (PBA)

Mur en ailearête vive

Mur en aileentonnementconvergent

Ke = 0,5

Ke = 0,2

Ke = 0,9

Ke = 0,5

Ke = 0,7

112 PONCEAUX

Biseauté parallèlement à la pente du remblai : Les bouts des canalisations en tôled’acier ondulé peuvent être coupés pour épouser la pente du remblai. Cette coupeaugmente la surface d’entré de l’eau, diminue la résistance à l’écoulement à l’entré etaugment la capacité du ponceau de l’ordre de 10 %.

9.3 HYDRAULIQUE DES PONCEAUX

Techniquement, un ponceau est essentiellement une structure hydraulique. À ce titre, la miseen place d’un tel ouvrage doit se faire en respectant les principes de base de l’hydraulique desponceaux. En milieu rural comme en milieu urbain, il est très important d’intégrer le designdes ponceaux à l’aménagement des cours d’eau si nous voulons bâtir un système rationnel quirencontre les besoins du milieu.

Les écoulements dans les ponceaux sont classifiés en deux grandes catégories : l’écoulementavec ”contrôle à l’entrée” et l’écoulement avec ”contrôle à la sortie”. Il existe un troisième typed’écoulement à la limite entre ces deux types d’écoulement, l’écoulement critique.

9.3.1 Écoulement avec contrôle à l’entrée

L’expression “contrôle à l’entrée” signifie que la géométrie (forme du ponceau, dimensions,type d’entonnement) de l’entrée du ponceau détermine la capacité du ponceau pour une hau-teur d’eau à l’entrée (Figure 9.4). Par définition, un écoulement est “avec contrôle à l’entrée”se rencontre lorsque la profondeur de l’eau à la sortie du ponceau est moindre que la profon-deur critique d’écoulement. Pour cette condition, la hauteur de 1’eau à l’amontHam ne dépendque du débit et de la géométrie du ponceau et de son type d’entonnement.

Figure 9.4 Ponceau avec contrôle à l’entrée.

Ham

L’entrée du ponceau peut être submergée ou non submergée. La figure 9.5 montre que lorsquel’entré du ponceau n’est pas submergée, le ponceau se comporte hydrauliquement comme undéversoir. Lorsque la hauteur d’eau à l’entrée du ponceau est nettement supérieure à la hauteurlibre du ponceau, celui--ci se comporte hydrauliquement comme un orifice submergée. Entreces deux conditions se situe une zone de transition. Les équations de la capacité des ponceauxen contrôle à l’entrée intègre ces deux conditions et la zone de transition par une équationcontinue.

HYDRAULIQUE DES PONCEAUX 113

Figure 9.5 Types d’écoulement dans un ponceau en fonction de la hauteur d’eau à l’en-trée lorsqu’en contrôle à l’entrée (adapté duU. S.Department ofTransporta-tion. 2005).

Débit

Déversoir non submergée

Orifice submergéeZon

ede

tran

sitio

n

Hau

teur

d’ea

uàl’e

ntrée

La hauteur à l’amont Ham et la capacité du ponceau Q s’expriment :

[9.1]Ham = f (Q,D, Te)

[9.2]Q = f (Ham,D, Te)

Ham = Hauteur d’eau à l’entrée du ponceau (L) [m]Q = Débit (L3/T) [m3/s]D = Dimensions du ponceau (L) [m]Te = Type d’entonnement

Pour ce type d’écoulement, il existe une série d’abaques (figures 9.15 à 9.19) produites par leMinistère des Transport du Québec (MTQ, 1995) donnant directement les hauteurs d’eau”amont” et ceci pour les ponceaux de type standard.

En général, les cours d’eau ayant une pente supérieure à 1% favorisent un écoulement aveccontrôle à l’entrée pour les ponceaux qui y sont installés.

114 PONCEAUX

9.3.2 Écoulement avec contrôle à la sortie

Un écoulement est ”avec contrôle à la sortie” lorsque la friction dans le ponceau contrôlel’écoulement. Dans ce cas, la hauteur d’eau à l’amont dépend non seulement des pertes provo-quées par les conditions d’entrée mais également des pertes de charge dynamiques et des per-tes de charge par friction à l’intérieur de la conduite (Figure 9.6). Comme le montre lafigure 9.6, l’écoulement avec contrôle à la sortie peut être regroupé en quatre cas. Le premierreprésente un écoulement où la sortie est submergée. Dans le deuxième cas, la conduite coulepleine malgré que la sortie soit non submergée car la profondeur critique de l’écoulement estsupérieure à la hauteur libre du ponceau. Dans le troisième cas, la conduite coule partiellementpleine et la hauteur d’eau à la sortie se trouve àmi--chemin entre la profondeur critique d’écou-lement et la hauteur libre du ponceau. Le quatrième cas représente une conduite coulant par-tiellement pleine sur toute sa longueur mais où la profondeur d’eau est supérieure à la profon-deur critique de l’écoulement. .

Pour un écoulement est avec contrôle à la sortie, la hauteur amont Ham) s’exprime :

[9.3]Ham = ∆H+ Hav− LS0

∆Η = Perte de charge dans le ponceau (L)Hav = Hauteur d’eau à la sortie du ponceau (L)L = Longueur du ponceau (L)S0 = pente du radier du ponceau (L/L)

[9.4]Q = f (∆H)

[9.5]∆H = �1+ Ke+19, 63 n2 L

R1.33� V2

2g

Ke = Coefficient de résistance à l’entréen = coefficient de rugositéR = Rayon hydraulique du ponceauV = Vitesse de l’eau dans le ponceau

Dans les conditions de contrôle à la sortie, la hauteur de l’eau à l’amont est influencée par lesconditions de l’écoulement à la sortie. Les abaques (figures 9.20 à 9.24) produites par leMinis-tère des Transport du Québec (MTQ, 1995) permettent de calculer les pertes de charge totalesdans les cas où la sortie est complètement submergée (cas A). Les abaques sont aussi considé-rées comme valables pour les cas B et C. D’une façon pratique, il faut s’attendre à retrouverune condition de contrôle à la sortie lorsque la pente du cours d’eau est inférieure à 0.5%.

Dans le cas où la sortie est complètement submergée, la hauteur d’eau aval (Hav) correspond àla profondeur d’écoulement à l’aval du ponceau (y), ce qui correspond généralement à la pro-fondeur normale d’écoulement dans le cours d’eau. Dans le cas B, la hauteur d’eau aval (Hav)correspond à la hauteur libre du ponceau (H). Dans le cas C, la hauteur d’eau aval (Hav) est àmi--chemin entre la profondeur critique d’écoulement (yc) et la hauteur libre du ponceau; alors,la plus grande valeur entre ( (yc +H) /2 ) et la profondeur d’écoulement à l’aval du ponceau (y)est utilisés. Dans le cas D, aucune abaque n’a été construite car il est plus simple de déterminerla hauteur à l’entrée du ponceau (Ham) à l’aide de la courbe de remous dans le ponceau.

115

Figure 9.6 Ponceau avec contrôle à la sortie.

Ham

Ham

Hav

CAS A : CONDUITE PLEINE -- SORTIE SUBMERGÉE (Hav > H), Hav = yo

∆H

Ham

CAS B : CONDUITE PLEINE (Hav = H)

∆H

H

Ham

CAS C : CONDUITE PLEINE SUR UNE PARTIE DE LA LONGUEUR

∆H

H

CAS D : CONDUITE PARTIELEMENT PLEINE

H

H

∆H

y0

y0

Hav

yc Hav

116

9.3.3 Écoulement critique

La profondeur critique est associée à l’écoulement critique qui se produit lorsque le niveaud’énergie spécifique est minimum (Section 1.5.3). Cette profondeur est la hauteur de la lamed’eau dans une conduite ou un canal qui est la limite entre un écoulement turbulent et un écou-lement fluvial. Cette profondeur critique est fonction du débit et de la géométrie de la conduite.Les abaques (figures 9.25 à 9.28) produites par le Ministère des Transport du Québec (MTQ,1995) permettent de déterminer la profondeur critique de plusieurs types de ponceaux.

9.4 TYPE RÉEL D’ÉCOULEMENT

Le type réel d’écoulement dans un ponceau ne peut être déterminé à priori. Pour un débit donnéet une situation donnée (dimensions du ponceau, hauteur d’eau à la sortie, type d’entonne-ment), c’est le type d’écoulement provoquant la plus grande hauteur d’eau à l’entrée du pon-ceau qui contrôle l’écoulement. Les deux types d’écoulement doivent être analysées pour cha-que situation.

La courbe de performance d’un ponceau donnée peut être déterminée pour un ponceau donnéeen étudiant une gamme de débit comme lemontre la figure 9.7. Le ponceau opère en contrôle àl’entrée pour les faibles débits, en contrôle à la sortie pour de plus grands débits. Lorsque lahauteur d’eau dépasse le niveau du remblai, le dessus du remblai fonctionne comme un déver-soir épais et le débit de celui--ci s’additionne à celui du ponceau. L’ensemble ponceau--remblaià une grande capacité à condition que le remblai soit construit en conséquence, sinon ce sera lacatastrophe.

9.5 COURBES DE PERFORMANCE

L’utilisation des courbes de performance permet de choisir la dimension d’un ponceau pour undébit donné, un niveau d’eau amont donné et une longueur donnée.Comme le nombre de typesde ponceaux est plutôt restreint en agriculture et que la longueur des ponceaux ne dépasse rare-ment 6 mètres, les courbes de performance s’avèrent être une solution intéressante et rapide.

Les caractéristiques d’écoulement d’un ponceau ainsi que sa capacité hydraulique sontcontrôlées par des conditions à l’entrée ou à la sortie.

9.5.1 Contrôle à l’entrée

Pour un ponceau de type et de matériel donné opérant avec contrôle à l’entrée, son débit estfonction de la hauteur d’eau à l’entrée (Ham) et de son diamètre comme le montre l’équation9.2. La figure 9.8 présente les débits des ponceaux circulaires en acier et en saillie du remblai.Elle a été construite à partir de l’abaque 5.3.1b du Ministère des transport du Québec.

117

Figure 9.7 Courbe de performance d’un ponceau (adapté du du U. S. Departmentof Transportation. 2005).

Débit

Haut duponceau

Haut duremblais

Contrôle àl’entréeContrôle à

la sortie

Hau

teur

d’ea

uàl’e

ntrée

Débit réel

118

Figure 9.8 Débit des ponceaux circulaires en acier et en saillie de remblai avec contrôleà l’entrée.

0,01

0,10

1,00

10,00

0,10 1,00

Diamètre (cm)

30

45

60

75

90

105

120

135

150

180

Hauteur d’eau amont (Ham) (m)

0,20

0,02

2,00,50

0,05

0,20

0,50

2,00

5,00

119

9.5.2 Contrôle à la sortie

Dans le cas d’un ponceau opérant avec contrôle à la sortie, la capacité hydraulique est fonctionde la géométrie à l’entrée, de la hauteur d’eau à l’entrée, de la longueur et de la pente du pon-ceau, de la rugosité du ponceau et de la hauteur d’eau a la sortie.

L’énergie nécessaire pour laisser passer une quantité d’eau donnée à travers un ponceau pleinsur toute sa longueur avec contrôle à la sortie est équivalente à la somme de la charge dynami-que, des pertes de charge à l’entrée et des pertes de charge par frottement (équation 9.5).

Si la hauteur d’eau dans le cours d’eau aval est à un niveau égal ou supérieur à celui de la voûteà la sortie, le ponceau opère sous contrôle à la sortie avec sortie submergée. La hauteur d’eau àl’entrée sera définie comme suit:

[9.6]Ham = ∆H+ yo− LS0

Àpartir des abaques (5.3.2a à 5.3.2h) duMinistère des transport duQuébec (contrôle à la sortiesubmergée), il est possible de déterminer la perte de charge (∆H) dans le ponceau pour les dif-férents diamètres d’un même type de ponceau. La figure 9.9 présente les débits des ponceauxcirculaires de six mètres de longueur en saillie du remblai opérant en contrôle à la sortie sub-mergée.

Si la hauteur d’eau dans le cours d’eau aval est inférieure à celle de la voûte du ponceau à lasortie, le ponceau opère sous contrôle à la sortie avec sortie non submergée. La hauteur d’eau”Ham” est définie par la même équation sauf que ”Hav‘’ n’est plus la hauteur d’eau en aval duponceau, mais fonction de la profondeur critique d’écoulement. Elle est approximée:

[9.7]Hav = max � yc+ H

2, yo�

yc = profondeur critique

yo = profondeur dans le canal à la sortie du ponceau

H = diamètre du ponceau ou hauteur libre

La profondeur critique “yc” est obtenue des abaques ((5.3.3a à 5.3.3g) produites par le Minis-tère des Transport du Québec selon la configuration du ponceau. Comme “∆H” et “yc” sontfonction du débit, ce dernier peut être porté en graphique en fonction de “∆H+ yc/2 +H/2” quiest aussi égal à “Ham+ L So” (équation 9.3). La pente étant une valeur connue, il est facile dedéterminer la hauteur d’eau ”Ham”. La figures 9.10 représente les débits des ponceaux circu-laires en acier de six mètres de longueur en saillie du remblai opérant avec contrôle à la sortieavec sortie non submergée.

120

Figure 9.9 Débit des ponceaux circulaires en saillie de remblai avec contrôle à la sortie sub-mergée.

0,10

1,00

10,00

0,10 1,00

Diamètre (cm)

180

150

135

120

105

90

75

60

45

30

Perte de charge ∆H (m)

121

Figure 9.10Débit des ponceaux circulaires en saillie de remblai avec contrôle à la sortie nonsubmergée.

0,10

1,00

10,00

0,30 3,00

180

150

135

120

105

90

75

60

45

30

Diamètre (cm)

Ham + LSo = ∆H + (D + dc)/2

122

9.6 DESIGN

9.6.1 Facteurs hydrauliques régissant le choix des ponceaux de ferme

Deux (2) types de cours d’eau peuvent traverser des fermes agricoles:

1. D’une part ceux qui, en raison de leur pente et de leur géométrie ont unegrande capacité hydraulique (grande récurrence).

2. D’autre part ceux qui sont à la limite du rendement hydraulique souhaitableau point de vue drainage (faible récurrence).

Dans le premier cas, les critères du choix sont établis en fonction de la capacité de la conduite,de sa durabilité et du niveau de service.

Dans le deuxième cas, il faut ajouter le principe suivant: ”Lorsque quelqu’un veut construireun ponceau de ferme, il devrait normalement avoir l’obligationmorale et légale d’installer unestructure de drainage qui maintienne la capacité drainante du cours d’eau à un niveau accepta-ble pour le propriétaire constructeur et pour ceux qui sont situés à l’amont de l’ouvrage”.

Les facteurs importants, dont il faut tenir compte, sont les suivants: la hauteur admissible del’eau dans la canalisation, la courbe de remous, l’érosion et les efforts ascendants sur les struc-tures.

9.6.2 La hauteur admissible de l’eau dans la canalisation

Dans le cas des cours d’eau de type (1) mentionné ci--haut, la hauteur admissible de l’eau estchoisie fonction du degré d’inondation accepté et de sa conséquence sur l’érosion des rives. Ceniveau peut être déterminé suite à une visite des lieux.

Dans le cas des cours d’eau de type (2), cette hauteur admissible doit être fixée suivant les critè-res de dimensionnement. Il est bien entendu que cette hauteur admissible de l’eau doit êtreappliquée non seulement au niveau amont immédiat d’un ponceau mais également sur tout letronçon du cours d’eau affecté par les effets de la courbe de remous.

Il existe très peu de critères connus en agriculture. Les critères suivants sont proposés de mapart :

� La hauteur amont (Ham) doit être inférieure à la profondeur du cours d’eau.

� La hauteur amont (Ham) doit être inférieure à la profondeur normale d’écoulement plus30 cmpour éviter que le ponceau, en agissant comme barrage, puisse voir éroder son rem-blai par l’infiltration de l’eau dans le remblai compte tenu de la faible compaction du rem-blai en l’absence d’équipement spécialisé. Cette valeur semble sécuritaire pour les pon-ceaux remblayés sans compactage contrôlé.

� La hauteur d’eau amont (Ham) ne doit provoquer une courbe de remous qui affecte la hau-teur d’eau à la sortie du ponceau situé à l’amont. Sinon, deux ou plusieurs ponceaux sousdimensionnés peuvent provoquer un effet d’enfilade comme illustré à la figure 9.11.

CONSTRUCTION 123

Figure 9.11 Effet d’enfilade d’une série de ponceaux.

L’exemple de la figure 9.11, sur des cours d’eau à faible pente, montre qu’un agriculteur quiconstruit un ponceau de capacité insuffisante peut rendre inadéquats tous les ponceaux amontsqui par ailleurs pouvaient avoir été construits en suivant les exigences.

L’effet d’enfilade est déterminé en calculant la courbe de remous à l’amont d’un ponceau. Lacourbe de remous s’établit à partir du calcul de la hauteur d’eau à l’amont d’un ponceau telqu’établit au chapitre sur les courbes de remous.

Toutefois, il est souvent avantageux de tolérer pour des ponceaux de ferme un débordement duruisseau qui, lors des crues, permet à l’eau de contourner en partie la structure en maintenantson niveau à une valeur inférieure à la limite fixée par le projeteur. Le calcul de ce niveau d’eause fait alors suivant les principes généraux de l’hydraulique des cours d’eau.

9.7 CONSTRUCTION

Si nous voulons construire un ponceau pour lequel une inondation complète (déversoir) esttolérée, la précaution à prendre en plus des recommandationsmentionnées ci--après, ce sera deprévoir remblayer le ponceau avec de la pierre de façon à ce qu’il demeure en place en touttemps. La pierre doit être la plus grosse possible de façon à ce que le facteur de sécurité soitsuffisant pour assurer une bonne protection.

Si nous voulons construire un pont ou un ponceau pour lequel il est toléré qu’il soit contournépar l’eau pendant les crues, la précaution supplémentaire à prendre c’est de prévoir à l’appro-che de ces structures, un remblai constitué de pierres suffisamment grosses pour résister à laforce érosive des courants.

Pour tout ponceau, il faut suivre les recommandations des sections qui suivent.

9.7.1 Implantation des ponceaux

I1 est toujours avantageux d’implanter un tuyau de 30 à 60 cm en contrebas du lit d’un coursd’eau. En plus d’augmenter, au moment des crues, sa capacité hydraulique, cette méthodeaméliore également le facteur de sécurité contre les affouillements et les sous--pressions.

Pour les ponceaux ou petits ponts construits sur fondations séparées, il convient de les implan-ter à 60 cm en contrebas du lit et ceci pour les mêmes raisons de sécurité.

124

9.7.2 Préparation de la fondation

I1 faut toujours tenter de construire les ponceaux à sec. Très souvent, il s’agit de dévier tempo-rairement l’écoulement ce qui ne pose que peu de difficultés durant la période estivale.

Les tuyaux doivent reposer sur un coussin de gravier. Pour les tuyaux métalliques, ce gravierne doit pas contenir de pierres de grosseur supérieure à deux pouces.

Si le matériel de fondation est une argile molle, il est recommandé de construire un coussin enpierre de façon à obtenir une capacité portante suffisante pour permettre le passage de chargeslourdes sur la structure sans risque de déstabiliser l’ouvrage.

I1 est également recommandé de compacter ce coussin en circulant avec un tracteur ou toutautre équipement lourd, excepté pour les cas où il est difficile d’éliminer l’eau du cours d’eauafin d’assécher la fondation.

En résumé, le temps pris pour faire une bonne fondation est un très bon investissement car il estune garantie de durabilité pour la structure.

9.7.3 Mise en place et remblayage

Dans un projet bien conçu, il est recommandé de faire la mise en place des ponceaux en utili-sant la machinerie disponible.

Le ponceau doit être remblayé le plus tôt possible après sa mise en place afin de le protégercontre les efforts de soulèvement dus aux forces de la pression hydraulique. En général, pourles ponceaux de moins de 240 cm, un remblai de l’ordre de 60 cm au--dessus de la structuresemble suffisant pour compenser ces efforts.

Le matériel de remblai, si possible, doit être un matériel granulaire, surtout pour les tuyauxmétalliques.

Il est fortement recommandé de placer le remblai enmaintenant le niveau de remblayage à peuprès égal de chaque côté de la structure, afin d’éviter les déplacements dus aux poussées desterres. Il convient également de compacter le matériel à l’aide de la machinerie disponible.

9.7.4 Protection contre l’affouillement et contre l’érosion

Pour protéger l’ouvrage contre l’érosion, il faut à chaque extrémité de la conduite, construireun enrochement avec de la pierre d’environ 30 cm. Cette protection doit s’étendre sur toute lapartie du remblai menacé par les hauts niveaux de crue.

Cette opération doit se faire immédiatement après le remblayage de la structure afin d’éviterles surprises désagréables d’une crue subite qui pourraient mettre en danger l’ouvrage.

Contre l’affouillement à la sortie du ponceau, il est recommandé de construire un tapis de pier-res sur toute la largeur du lit et sur une distance d’environ deux fois le diamètre du ponceau oudeux fois sa portée.

En résumé, lorsque la construction d’un ponceau de ferme est projetée, il faut s’astreindrecomme pour tout ouvrage de génie à un processus de ”design” qui soit rationnel; ce qui permetde trouver la solution la plus adéquate et la plus économique.

CONSTRUCTION 125

Il faut soigner la réalisation de l’ouvrage. C’est la meilleure garantie de durée et par consé-quent d’économie.

Figure 9.12 Algorithme pour calculer la hauteur à l’entrée d’un ponceau et déterminer letype de contrôle.

Sont connus : Débit (Q), longueur (L) et dimensions du ponceau (H), épaisseur d’eauà la sortie du ponceau (yo)

1. Calcul en contrôle à l’entrée

2. Calcul en contrôle à la sortie

Ham−ce= f (Q, H, Ke) selon les abaques du contrôle à l’entrée

yo ≥ H

∆H= f (Q, H, Ke, n, L)

Hav = max�yo, H+ yc2�

Ham−cs= yo+ ∆H− So L

Calcul de yc selon les abaques

Ham−cs= Hav+ ∆H− So L

3. Hauteur d’eau à l’entrée et du mode de contrôle

A. Sortie submergée

yo < HB. Sortie non submergée

selon les abaques du contrôle à la sortie submergée

Ham = max (Ham−ce, Ham−cs)

Mode de contrôle = mode produisant le plus grand Ham

126

Figure 9.13 Algorithme pour déterminer la capacité d’un ponceau.

Sont connus : Hauteur d’eau à l’entrée du ponceau (Ham), longueur (L) et dimensionsdu ponceau (H), épaisseur d’eau à la sortie du ponceau (yo)



Qce = f (Ham, H, Ke) selon les abaques du contrôle à l’entrée

yo ≥ H



3. Détermination du débit et du mode de contrôle

A. Sortie submergée

yo < HB. Sortie non submergée


Q= min (Qce, Qcs)

Mode de contrôle = mode produisant le plus petit débit

∆H= Ham− yo+ So L

Qcs = f (∆H, H, L, n, Ke)


Qcs = f (∆H, H, L, n, Ke)

∆H= Ham−Hav+ So L


127

Figure 9.14 Détermination de la taille requise pour un ponceau.

Sont connus : Débit de design (Q), longueur (L) , épaisseur d’eau à la sortie du ponceau (yo)



Hce= f (Q, Ham−max, Ke) selon les abaques du contrôle à l’entrée



4. Détermination de la taille et dumode de contrôle

yo < HcsSi sortie non submergée


H= max (Hce, Hcs)

Mode de contrôle = mode produisant la plus grande taille


Hcs= f ( Q, ∆H, L, n, Ke)

∆H= Ham−Hav+ So L


1. Détermination de Ham−max et

Hcs= f ( Q, ∆H, L, n, Ke)

128

BIBLIOGRAPHIE

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PortlandCementAssociation. 1964.Handbook ofConcreteCulvert PipeHydraulics. PortlandCement Association. Skokies, Illinois. 267 pages.

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BIBLIOGRAPHIE 129

GAE--21287 PROBLÈMES SÉRIE 9.

9.1. Vous avez un cours d’eau trapézoïdal ayant une base de 1,0 m de largeur et une pente destalus de 1,5:1. La profondeur normale d’écoulement est de 0,71 m pour un débit de 1,0m3/s avec une pente de 0,001. Un ponceau circulaire en acier de 0,9 m de diamètre et de6 m de longueur y est installé saillant du ramblai.

a ) Déterminez la hauteur d’eau à l’entrée du ponceau si celui--ci opère en contrôle àl’entrée,

b ) Déterminez la profondeur critique d’écoulement dans le ponceau,

c ) Déterminez la hauteur d’eau à l’entrée du ponceau si celui--ci opère en contrôle àla sortie,

d ) Sous quel mode le ponceau opère--t--il?

9.2. Quelles seraient les réponses au problème précédent si le ponceau était remplacé par :

a ) un ponceau circulaire en béton de 0,9 m de diamètre saillant du remblai et partiefemelle face à l’écoulement,

b ) un ponceau rectangulaire en béton de 0,90 m x 0,90 m,

c ) un ponceau arqué en acier de 0,930 m x 0,645 m,

d ) un ponceau vouté (demi cercle) de 0,9 m de hauteur.

9.3. Remplacez les ponceaux des deux questions précédentes par des panceaux de 50 m delongueur et refaites les calculs.

9.4. Vous avez un ponceau circulaire en acier de 0,9 m de diamètre installé saillant du remblaisur le fond d’un cours d’eau possédant une pente de 0,15%. Les profondeurs d’eau à l’en-trée et à la sortie du ponceau sont respectivement de 1,0 m et 0,8 m. La longueur du pon-ceau est de 6 m.

a ) Quel est le débit de ce ponceau s’il opère en contrôle à l’entrée?

b ) Quel est le débit de ce ponceau s’il opère en contrôle à la sortie?

c ) Sous quel mode le ponceau opère--t--il réellement?

9.5. Estimez le débit d’un ponceau circulaire en acier de 1,2 m de diamètre installé saillantdu remblai sur le fond d’un cours d’eau possédant une pente de 0,2% si les profondeursd’eau à l’entrée et à la sortie du ponceau sont respectivement de 1,25 et 1,0m. La longueurdu ponceau est de 6 m.

130

9.6. À une étape de votre étude de l’aménagement des cours d’eau d’un bassin versant, vousavez à drainer une superficie de 280 hectares dont le débit à évacuer pour une récurrencede 5 ans est de 1,8mètres cube par seconde.A ce point du bassin versant, le sol est un loamlimoneux Kamouraska et le cours d’eau possède une pente de 0,15%.

a ) Quelle serait la section nécessaire (profondeur du cours, largeur au fond, profon-deur d’écoulement) pour évacuer adéquatement le débit de design?

b ) Déterminez les dimensions des ponceaux circulaires en acier à être installés danscette région (l’intervalle moyen entre les ponceaux est de 350 mètres)?

c ) Déterminez les dimensions des ponceaux circulaires en béton à être installésdans cette région (l’intervalle moyen entre les ponceaux est de 350 mètres)?

d ) Déterminez les dimensions des ponceaux rectangulaires en béton à être installésdans cette région (l’intervalle moyen entre les ponceaux est de 350 mètres)?

e ) Déterminez les dimensions des ponceaux arqués en acier à être installés danscette région (l’intervalle moyen entre les ponceaux est de 350 mètres)?

f ) Déterminez les dimensions des ponceaux voutés (demi cercle) à être installésdans cette région (l’intervalle moyen entre les ponceaux est de 350 mètres)?

9.7. Un ponceau rectangulaire en béton de 2,0 m de largeur par 2,2 m de hauteur est installédans un cours d’eau possédant une base de 3,0 m, une profondeur de 1,2 m , une pentede 0,005 et une pente des talus de 1:1.

a ) Estimez la capacité de ce ponceau si la profondeur normale d’écoulement est de1,0 m.

b ) Quelles sont les hypothèses que vous devez poser?

c ) Qu’elle est l’influence de ponceau sur la partie amont du cours d’eau (courbe deremous)?

131

Figure 9.15 Capacité des ponceaux circulaires en acier ondulé fonctionnant en modede contrôle à l’entrée (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX CIRCULAIRES EN ACIERONDULÉ -- CONTRÔLE À L’ENTRÉE

132

Figure 9.16 Capacité des ponceaux circulaires en béton fonctionnant en mode decontrôle à l’entrée (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX CIRCULAIRES EN BÉTON -- CONTRÔLE À L’ENTRÉE

133

Figure 9.17 Capacité des ponceaux arqués en acier fonctionnant en mode de contrôleà l’entrée (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX ARQUÉS EN ACIER ONDULÉ -- CONTRÔLE À L’ENTRÉE

134

Figure 9.18 Capacité des ponceaux rectangulaires en béton fonctionnant en mode decontrôle à l’entrée (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX RECTANGULAIRES EN BÉTON -- CONTRÔLE À L’ENTRÉE

135

Figure 9.19 Capacité des ponceaux voutés en acier et radier en béton fonctionnant enmode de contrôle à l’entrée (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX VOUTÉS EN ACIER ET RADIER EN BÉTON --CONTRÔLE À l’ENTRÉE

136

Figure 9.20 Capacité des ponceaux circulaires en acier (n=0,024) fonctionnant enmode de contrôle à la sortie (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUXCIRCULAIRESENACIERONDULÉ -- CONTRÔLEÀLASORTIE

137

Figure 9.21 Capacité des ponceaux circulaires en béton (n=0,012) fonctionnant en modede contrôle à la sortie (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX CIRCULAIRES EN BÉTON -- CONTRÔLE À LA SORTIE

138

Figure 9.22 Capacité des ponceaux arqués en acier (n=0,024) fonctionnant enmode decontrôle à la sortie (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX ARQUÉS EN ACIER ONDULÉ -- CONTRÔLE À LA SORTIE

139

Figure 9.23 Capacité des ponceaux rectangulaires en béton fonctionnant en mode decontrôle à la sortie (adapté de MTQ, 1995)..

PONCEAUX RECTANGULAIRES EN BÉTON -- CONTRÔLE À LA SORTIE

140

Figure 9.24 Capacité des ponceaux voutés en acier et radier en béton fonctionnant enmode de contrôle à la sortie (adapté de MTQ, 1995).

PONCEAUX VOUTÉS EN ACIER ET RADIER EN BÉTON --CONTRÔLE À LA SORTIE

141

Figure 9.25 Profondeur critique d’écoulement des ponceaux circulaires (adapté deMTQ, 1995).

PROFONDEUR CRITIQUE D’ÉCOULEMENT -- PONCEAUX CIRCULAIRES

142

Figure 9.26 Profondeur critique d’écoulement des ponceaux arqués en acier (adapté deMTQ, 1995).

PROFONDEUR CRITIQUE D’ÉCOULEMENT -- PONCEAUX ARQUÉS

143

Figure 9.27 Profondeur critique d’écoulement des ponceaux rectangulaires en béton(adapté de MTQ, 1995).

PROFONDEUR CRITIQUE D’ÉCOULEMENT --PONCEAUX RECTANGULAIRES

144

Figure 9.28 Profondeur critique d’écoulement des ponceaux voutés (adapté de MTQ,1995).

PROFONDEUR CRITIQUE D’ÉCOULEMENT -- PONCEAUXC VOUTÉS

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CH 09 Ponceaux - grr.ulaval.ca · TYPESDEPONCEAUX 111 9.2.2 Forme de la canalisation hydraulique Lescanalisationshydrauliquespeuventêtreàcontourouvertoufermé(figure9.2).Lescanali-