Projet de fin dtudes -Note de Synthse-

Dimensionnement des vacuateurs de

crues de type Piano Keys Weir .

Application au barrage de Malarce

SAMBARINO Jrme Elve Ingnieur de 5me anne

Spcialit Gnie Civil Juin 2007

Note de Synthse Dimensionnement des vacuateurs de crues de type Piano Keys Weir

Application au barrage de Malarce

SAMBARINO Jrme -2/6-

RESUME

Des tudes rcentes ont montr que de nombreux sites possdent un dficit dvacuation par

rapport la crue de projet (priode de retour de 1 000 ans pour les barrages en bton). Pour

pallier cette insuffisance, un recalibrage des vacuateurs de crues existants sur ces barrages

est ncessaire.

Rcemment un nouveau type dvacuateur labyrinthe, baptis Dversoir en Touches de

Piano (Piano Keys Weir), a t dvelopp. Il sagit damliorer lancien procd en donnant

une pente au fond plat dun seuil labyrinthe traditionnel. Les lments du dversoir se

trouvent ainsi en porte--faux. Cette solution innovante dvacuateur de crues labyrinthe a

lavantage de pouvoir tre mise en uvre sur les sections de largeur limite rencontres en

crte des barrages poids existants.

Dans un premier temps, jai t affect un projet de dversoir en touches de piano au

barrage de Malarce. Ce barrage est situ entre Nmes et le Puy en Velay sur la rivire

Chassezac, qui est un affluent de lArdche. Mon rle a consist raliser une tude technico-

conomique de cette proposition en cherchant optimiser le calage du seuil P.K. dune part,

et le cot li la baisse de la cote de la retenue normale par rapport au cot des travaux de

gnie civil dautre part.

Dans un deuxime temps, sachant que dans les annes venir beaucoup de projets similaires

verront le jour, jai du raliser un logiciel permettant de faciliter le prdimensionnement dun

tel dversoir. Ce programme est bas sur deux modles diffrents, lun favorisant un ouvrage

de grande taille mais avec peu dlments rpts, lautre privilgiant de plus petites

dimensions pour un nombre dlments dmultipli.

Mots cls : Evacuateur de crues, Dversoir en Touches de Piano, Evacuateur labyrinthe,

Recalibrage dvacuateur de crues, Crue de projet, Barrage.

ABSTRACT

Recent hydrological studies show that, for many dams, the design flood with a return period

of 1,000 years has been undervalued. As a consequence, a rehabilitation of the existing

spillways is needed.

In the last few years, a new concept of labyrinth spillways, called Piano Keys Weir, has

been developed. The former model was improved by replacing the flat bottom of a traditional

labyrinth spillway by a shape. So, the weir has overhangs. This innovative alternative of

labyrinth spillways can be used on the top of the usual concrete gravity dam sections, unlike

labyrinth weirs.

Firstly, I was involved in a Piano Keys Weir project on the Malarce dam, situated between

Nmes and Le Puy en Velay, on the Chassezac River, which is an influent of the Ardche

River. I had to realize a technical and economical study for this solution by optimizing the

setting of the Piano Keys Weir, and the decrease of the top water level in front of the cost of

civil engineering works.

Many similar projects will be initiated in the future by EDF. Therefore, after the Malarce

project, I made a software in order to help in the designing of a Piano Keys Weir. This

software is based on two different models. The first is facilitating a spillway with great

dimensions and few elements whereas the other one is privileging a smaller weir with many

elements.

Key words: Spillways, Piano Keys Weir, Labyrinth Weir, Dam Rehabilitation, Design Flood.

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1. Optimisation dun dversoir en touches de piano au

barrage de Malarce

1.1. Prsentation du projet

Le barrage de Malarce est un barrage poids rectiligne situ mi-distance entre Nmes et le

Puy en Velay. Il est implant sur la rivire Chassezac qui est un affluent rive droite de

lArdche. La rvaluation du dbit de crue millnale sur ce barrage, a mis en vidence

linsuffisance de capacit de lvacuateur de crues existant.

En effet, des essais sur modle rduit ont montr un dficit dvacuation de 650 m3/s. Cest

pourquoi, depuis plus dune dizaine dannes, des solutions visant renforcer les installations

dvacuation de crues sont tudies sur ce barrage.

Les solutions envisages ont port sur une remonte du niveau des plus hautes eaux, sur la

construction dun nouvel vacuateur en rive droite ou sur la combinaison des deux.

Finalement, jusqu aujourdhui aucune de ces solutions na t retenue, essentiellementpour

des raisons conomiques.

Cependant, un projet de ralisation dun seuil en touches de piano ou Piano Keys Weir

en anglais, a vu le jour aprs mise en uvre sur le barrage de Goulours. Ce type novateur

dvacuateur de crues est capable dvacuer un dbit spcifique pouvant atteindre 40 m3/s/ml

pour un cot nettement moins lev quun seuil traditionnel. Cet vacuateur de crues sera

construit sur la cule rive droite du barrage en complment dune baisse du niveau de la

retenue normale quil faudra optimiser.

1.2. Etude Hydraulique

1.2.1. Description dun P.K. Weir

Le Piano Keys Weir (PKW) est une amlioration du dversoir labyrinthe dont le changement principal est de donner une pente au fond plat. Ce nouveau type de dversoir a lavantage dtre applicable des sections rduites de barrages poids existants. Il permet lvacuation de dbits spcifiques importants, avec un rendement suprieur celui d'un dversoir Creager. Le concept de base des PKW prvoit de dfinir la gomtrie de louvrage de la manire

suivante:

Le rendement du PKW dpend des rapports adimensionnels suivants : H/P, W/P, I/O, N (H

tant la hauteur de la lame deau dversante).Le dversement seffectue directement par les

extrmits des alvoles amont et aval mais aussi par aspiration de leau par le fond, le long

des murs bajoyers la manire dun vacuateur latral. Lvolution du dbit spcifique est

gale : PH , tant une constante dpendant des autres paramtres du PKW.

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1.2.2. Les variantes tudies

Afin de trouver le meilleur compromis entre le calage du PKW disposer sur la cule rive

droite du barrage, le cot des travaux associs et le cot de la perte dactif lie la baisse de la

cote RN, diverses solutions ont t envisages avec diffrentes hypothses. La baisse de la

cote de la RN sera comprise entre 0,5 et 1,5 m.

Pour cette tude, on a choisi des PKW symtrie amont/aval pour deux ratios N diffrents (5

7). Par ailleurs, des PKW gomtrie variable et sans porte--faux aval ont t tudis sans

donner satisfaction. Les rsultats montrent quune diminution de la RN de 0,5 m nest pas

envisageable quel que soit le cas de figure. En effet la hauteur du PKW impliqu serait trop

importante. Le meilleur rendement hydraulique pour un moindre cot a t obtenu pour un

rapport N=7 et un fruit de 2H/1V. Avec cette configuration, il est possible de raliser un PKW

pour des baisses de la cote RN respectives de : 0,7 m ; 1 m et 1,5 m.

Fruit 2H/1V N=7

RN - 0,7m RN - 1m RN - 1,5m

Hauteur PKW (m) 7,5 5,2 3,9

1.3. Etude de stabilit

A la suite de ltude hydraulique, la stabilit de la cule rive droite et du PKW a t vrifie

pour les trois baisses de la RN dfinies ci-dessus. Cet exercice a t ralis laide du logiciel

STABET, dvelopp par EDF. Cest un programme de vrification des barrages poids, bas

sur une mthode simplifie consistant en une analyse bidimensionnelle amont-aval effectue

sur les sections horizontales les plus critiques dun profil de barrage de largeur unitaire.

Il ressort de cette tude que quelle que soit la baisse de la RN, la stabilit nest pas assure en

conditions exceptionnelles, ce cas de chargement tant le plus dfavorable. En conditions

normales et extrmes, on observe un dfaut de stabilit pour des baisses de 0,7 m et 1 m.

Cependant, aucun problme na t rencontr pour un rajustement de 1,5 m.

Afin de remdier au manque de stabilit en conditions exceptionnelle, il a t dcid

dinstaller des tirants actifs permettant de rajouter du poids louvrage et donc de maintenir

linterface entre le rocher et le bton en compression. Les tirants seront disposs laval du

voile de drainage du barrage afin de limiter la corrosion. Le nombre de tirants et la tension de

service leurs appliquer ont t dtermins pour chaque scnario de baisse de la RN.

1.4. Choix de la solution adopter

Aprs chiffrage des solutions en fonction du cot de la dmolition et de mise en uvre du

bton, du droctage ventuel, de la perte dactif lie la baisse de la RN et de la prcontrainte

prvoir, une recommandation a t formule.

Il nest pas conseill dadopter la solution consistant baisser la RN de 0,7 m, puisque son

prix est plus lev et que louvrage envisag a des dimensions trop importantes. Les solutions

consistant diminuer la RN respectivement de 1 m et 1,5 m ne possdent pas une frontire

conomique trs marque. Il a nanmoins t recommand dadopter la solution visant

baisser la RN de 1,5 m puisquelle permet davoir un ouvrage dune taille plus

raisonnable , donc plus facile mettre en uvre et avec de meilleures certitudes quant au

rendement hydraulique (moins de problme dalimentation des alvoles). Ces rsultats seront

transmis un laboratoire dhydraulique, en vu de confirmer les conclusions sur modle rduit.

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2. Programme de prdimensionnement des PKW

2.1. Dfinition du besoin

Compte tenu de la multiplication des projets o un recalibrage de lvacuateur de crues est

ncessaire et o lemploi du PKW serait conomiquement intressant, jai conu un

programme facilitant le prdimensionnement dun tel ouvrage.

Une premire partie, appele prdimensionnement hydraulique , permet dobtenir la

gomtrie du PKW en fonction de deux modles. Une deuxime, permet lutilisateur, de

choisir sa guise la gomtrie lui convenant le mieux, dobtenir le volume de bton

ncessaire la construction et de connatre le torseur quivalent rsultant des efforts appliqus

sur le PKW afin de procder la vrification de la stabilit sur STABET.

2.2. Les deux modles utiliss

Le prdimensionnement hydraulique sera effectu grce deux modles que jai dvelopps

partir des rsultats dessais raliss en laboratoire, au Vietnam.

Le modle N=5 (qui implique un nombre dalvoles limit) sera plutt privilgi pour des

dbits spcifiques faibles et quand les alvoles de lautre modle seront trop troites. Le

modle N=7 qui est systmatiquement plus conomique, sera lui privilgi pour des dbits

spcifiques plus importants. Il implique un nombre dalvoles suprieur pour une hauteur de

PKW moindre.

Aprs une tude de comportement de la courbe dvolution du dbit spcifique qs, en fonction

du rapport entre la hauteur de la lame deau H et la hauteur du PKW P, jai dfini les deux

modles suivants:

2.3. Fonctionnement du programme

Pour chacun des deux modles dfinis ci-avant, les caractristiques gomtriques du PKW

sont fournies avec une vue en plan et une coupe qui sont gnres automatiquement. Par la

suite, lutilisateur peut se servir des deux modles comme guide pour son projet, mais il peut

galement faire le choix de scarter des solutions proposes. Le reste du programme lui

permet dobtenir le volume prcis de bton ncessaire la mise en uvre de son PKW et le

torseur des efforts sappliquant sur celui ci.

Le logiciel a t test sur deux projets de PKW dj tudis par EDF. On remarque une

grande similitude pour les rsultats obtenus sur le modle de type N=5. Finalement, la

ralisation du programme a permis de prendre conscience que loptimum conomique ne

rsidait pas forcment dans la ralisation dalvoles de grandes dimensions (type N=5), mais

quil tait possible de mettre en uvre des PKW de plus petite taille avec un nombre

dalvoles multipli, pour un moindre cot (N=7). Loptimum sera choisir en fonction des

contraintes du site sur lequel est envisage la construction du dversoir.

3. Conclusions et perspectives Le dimensionnement dun PKW nest pas un exercice ais du fait dun nombre de paramtres

levs est dun faible retour dexprience. La solution technique et conomique la plus

intressante pour le dficit dvacuation de crues du barrage de Malarce, est la combinaison

dun PKW denviron 4 m de hauteur et dune diminution du niveau de la retenue normale de

1,5 m. Pour des problmes de stabilit, il sera ncessaire demployer des tirants actifs.

Le programme de prdimensionnement a t vrifi et valid sur des ouvrages existants, il

permet de connatre la solution la mieux adapte pour deux configurations de PKW

diffrentes.

2/3

2399.0

5 .2..9494,0 HgP

HqsN

=

= 2/33725,0

7 .2..0304,1 HgP

HqsN

=

=

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Vue arienne du site de Malarce

Vue du barrage de Malarce depuis laval Vue de la retenue cre par le barrage

Barrage

Rivire Chassezac