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  • BURKINA FASO 1er CONGRES NATIONAL DES BARRAGES

    ECONOMIE ET SECURITE DES DEVERSOIRS DU BURKINA FASO

    Par F.Lemprire et J.P.Vigny (Hydrocoop France)

    1 Introduction Le Burkina Faso a dj construit plus de mille barrages d'irrigation. Il s'agit en gnral de rservoirs de 0.1 5 hm3 mais les barrages sont de faible hauteur et de grande longueur car la rgion est en gnral assez plate. La profondeur moyenne des rservoirs est souvent infrieure 2m et une partie importante du stockage perdue par vaporation. Cependant les dbits de crues prendre en compte sont notables, souvent suprieures 100m3/s vacus gnralement par des seuils libres longs et relativement coteux pour viter de rduire une profondeur de retenue prcieuse ou d'augmenter beaucoup le volume du barrage. Des accidents graves et des ruptures de barrages sont parfois intervenus, le plus souvent par submersion lors dune crue. Lamlioration de la scurit (par augmentation des capacits des vacuateurs et la prise en compte de dbits de crue plus importants) et/ou laugmentation du stockage (par lvation du plan deau) chaque fois que les apports des rivires le permettent, font partie des objectifs majeurs concernant les ressources en eau du Burkina Faso. Les contraintes budgtaires limitent malheureusement les possibilits daction. Des rflexions rcentes sur les critres de calcul et de dimensionnement des vacuateurs de crue (crue de projet, crue de scurit, crue maximum probable) et des tudes ralises sur des types nouveaux de dversoirs ou sur lamlioration de procds anciens, ont mis en vidence quil tait possible de trouver des solutions conomiques aux problmes poss et de permettre la ralisation moindre cot des objectifs ci-dessus. En effet, si lon veut bien considrer que la vritable scurit des barrages se rapporte la crue de scurit (parfois prise gale la crue maximum probable) et non pas la crue de projet, et que, pour des crues aussi exceptionnelles trs faible probabilit, on peut admettre un niveau de retenue plus lev que celui correspondant la crue de projet (disparition de la revanche ) et ventuellement quelques dommages pour autant quil ny ait pas rupture du barrage, il devient possible doptimiser la mise en uvre de diverses solutions conomiques nouvelles.

  • 2 Parmi ces solutions, sont prsentes ci-aprs celles qui paraissent les mieux adaptes aux barrages de faible hauteur du Burkina Faso, quil sagisse de barrages existants dont on veut amliorer la scurit ou augmenter le volume de stockage, ou de barrages nouveaux dont on veut optimiser le projet. Celles-ci comprennent :

    - Loptimisation de la crte des barrages. - Le dversement sur les talus. - Laugmentation du dbit des seuils libres (seuils labyrinthes). - Divers dispositifs fusibles.

    Pour des barrages plus importants et lorsque la gestion du niveau de la retenue est essentielle, il reste videmment possible, sinon souhaitable, de combiner ces solutions avec un dversoir vann si cela est financirement possible. Une telle combinaison prsente lavantage, par rapport une solution entirement vanne, dtre moins onreuse et dviter la rupture du barrage en cas de non fonctionnement des vannes lors de larrive de la crue. 2 Optimisation de la crte des barrages La simple lvation du niveau de la retenue derrire la crte du barrage augmente automatiquement la charge hydraulique et donc le dbit du dversoir. Pour une augmentation de niveau H et une longueur e de dversoir mesures en mtres, le dbit dun seuil libre est augment denviron 3eH en m3/sec Ceci peut se faire pour les barrages en remblais en raidissant les pentes des talus dans leur partie haute et/ou en amliorant limpermabilit de la crte et sa protection contre les vagues (cailloux ou bton de protection contre lrosion et laffouillement). Ceci peut galement se faire en ajoutant un parapet. Ces solutions sont peu coteuses et ne demandent que des ressources locales faciles mettre en uvre. Si lon nomme a le cot par mtre linaire pour surlever de 1 m la crte dun barrage de longueur L , le cot total est de aL et le cot par m3/sec daugmentation est de aL/3eH . Pour beaucoup de barrages au Burkina Faso, la longueur du dversoir e est comprise entre 1/5 et 1/10 de la longueur L du barrage. Si lon considre une lvation possible de lordre de 0.50 m 1 m, le cot daugmentation de dbit est de lordre de 2a 4a par m3/sec supplmentaire. 3 Dversement sur les talus Il est possible de crer un dversoir auxiliaire en abaissant les digues du barrage sur une longueur approprie jusquau niveau de la crue de projet et en protgeant le talus aval par un revtement en bton compact au rouleau (BCR). On vacue ainsi lors des crues exceptionnelles la hauteur deau correspondant la revanche. Revtement B.C.R. Figure 1 : Revtement aval pour dversement sur talus

  • 3 4 Augmentation du dbit des seuils libres par des seuils labyrinthes. 4 1 . Seuils labyrinthes traditionnels Il existe de nombreux seuils labyrinthes travers le monde et leur fonctionnement a donn satisfaction depuis de nombreuses annes. Ce sont en gnral des murs verticaux assez minces en bton arm pousant en plan une forme polygonale rgulire et symtrique, les alvoles dentre et de sortie tant identiques. A courant A Vue en plan Coupe AA Figure 2 : Labyrinthe traditionnel Avec des longueurs dveloppes de murs L souvent de lordre de 4 fois la longueur W du dversoir (ratio conventionnel N = L/W = 4), le dbit est souvent le double dun seuil libre classique (profil Creager) et conduit des augmentation de dbit de lordre de 5 m3/sec/ml pour des hauteurs de mur de 3 4 m. Ces seuils sont faciles construire et ncessitent environ 1 m3 de bton arm par m3/sec supplmentaire, ce qui reste conomique. Des tudes sont actuellement menes et des essais sur modles rduits raliss (universit de Biskra en Algrie, en collaboration avec Hydrocoop) pour amliorer ce type de seuil, aussi bien en ce qui concerne son rendement hydraulique, que sa facilit de construction et que son cot (Murs parallles, alvoles ingales, remplissage partiel des alvoles, entre deau profiles). Malheureusement, la structure ncessite beaucoup de place et, de ce fait, ne peut pas, par exemple, tre construite au sommet dun barrage poids. Elle devient galement coteuse pour des trs grands dbits par suite de la grande hauteur des murs et des efforts trs importants que ceux-ci subissent sous la pousse de leau. 4 2 . Dversoirs en touches de piano (P.K.Weirs). Pour pallier aux inconvnients rappels ci-dessus, des tudes et des essais sur modles rduits ont t mens depuis 5 ans sur un dispositif en labyrinthe permettant de rduire lencombrement, de diminuer la hauteur des murs et damliorer le rendement hydraulique. Les formes tudies ont conduit galement des conomies de matriaux .

    alvole dentre (amont)

    alvole de sortie (aval)

    courant

  • 4 Ce dispositif comprend soit deux porte--faux, lun lamont, lautre laval, gnralement symtriques (P.K.Weir type A), ou un seul porte--faux amont de plus grande longueur (P.K.Weir type B). Une partie des radiers est incline et la forme en plan est rectangulaire, do son aspect en touches de piano . P.K.W. type A P.K.W type B Figure 3 : Les deux types de P.K.Weirs Les essais sur modles rduits raliss dans diffrents pays (France, Algrie, Inde, Chine, Vietnam) et coordonnes par Hydrocoop, les calculs de structures et les valuations des quantits de matriaux qui en rsultent, ont permis doptimiser des dispositions standards qui semblent proches du meilleur compromis entre rendement hydraulique, facilit de construction et cots. Ces dispositions comprennent notamment des pentes de porte--faux comprises entre 2/1 et 3/2 et une largeur des alvoles amont suprieure denviron 20% celle des alvoles aval dans le cas des P.K.Weirs de type A. Les P.K.Weirs sont principalement caractriss par leur hauteur H mesure lintersection gomtrique des murs inclins (qui correspond donc la hauteur libre maximum des murs verticaux voir figure 1). Pour des hauteurs H moyennes (de lordre de 3 5 m), un ratio N = L/W compris entre 4 et 6 semble un bon compromis. Pour des hauteurs H plus faibles, on aura probablement intrt raliser des ratios N plus importants : cest le cas de nombreux petits barrages au Burkina Faso pour lesquels H resterait infrieur 1,50 m pour des dbits de lordre 4 5 m3/sec/ml. Les figures 4 et 5 reprsentent des dispositions standard pour des types A et B. On obtient une valeur de 6 pour le ratio N en adoptant une largeur dalvole aval e = 8/11 H pour le type A et e = 0,6 H pour le type B. Figure 4 : P.K.Weir Standard de type A

    H

    Coupe AA

    Coupe BB

    H

  • 5 Figure 5 : P.K.Weir standard de type B Les essais sur modles physiques ont montr que, pour une charge hydraulique h comprise entre 0,25H et 1,5H, le dbit spcifique dun P.K.Weir de type A est proche de 4hH et celui dun P.K.Weir de type B proche de 4,5hH. Compar au dbit spcifique dun seuil Creager traditionnel, celui-ci est donc multipli par prs de 4 pour h = 0,25 H, par 3 pour h = 0,4 H, et par 2 pour h voisin de 0,8 H. Laugmentation du dbit spcifique en m3/sec/ml est proche de 1,8 H 1,5 . La rduction de la hauteur de la lame deau (qui permet daugmenter le stockage) est de prs de 0,5 H. Figure 6 : Essais sur modle rduit dun PKW type A Figure 7 : Comparaison dun seuil Creager et dun P.K.W type A (H = 4m)

  • 6 Les P.K.Weirs peuvent tre raliss en bton arm ou en acier, cette dernire solution tant limite des hauteurs H infrieures 2 ou 3 m pour des raisons pratiques et conomiques. Ils peuvent tre construits sur place ou prfabriqus en totalit ou en partie. Des schmas de prfabrication et des croquis avec dimensionnement figurent dans les documents publis loccasion du vingt-deuxime Congrs des Grands Barrages Barcelone 2006 Question 84 R 78. Pour une solution bton arm, le volume de bton par mtre de dversoir type A, varie de 0,6 0,4 H2 pour H compris entre 2 et 6 m. Pour une solution acier, environ 700 x H kg dacier sont ncessaires. Avec 0,5 m3 de bton arm ou 250 kg dacier on peut augmenter le dbit dun seuil classique denviron 1 m3/sec. Les P.K.Weirs peuvent tre galement utiliss pour lamlioration de dversoirs existants. Dans ce cas, il est ncessaire daraser la crte du dversoir comme indiqu sur la figure 8. Avant arasement Aprs arasement Figure 8 : Remplacement dun seuil Creager par un P.K.Weir type A Pour le cot denviron 1 m3 de bton arm, on peut modifier le seuil existant pour augmenter

    soit le dbit d 1 m3/sec supplmentaire ; soit le stockage dun volume supplmentaire V (en m3) gal environ S/3L , S tant la

    surface du rservoir en m2 et L la longueur du rservoir en m. Dans le cas des barrages du Burkina Faso stockant plus de 500.000 m3 le rapport S/L est de lordre de 10.000, et le cot de 1 m3 de bton arm permet de gagner 2 5.000 m3 de stockage supplmentaire.

    Une premire ralisation de P.K.Weir de type A est en cours dachvement sur un barrage existant dElectricit de France (barrage E.D.F. de Goulours, dans le sud ouest de la France). Figure 9 : Cration dun dversoir additionnel sur le barrage de Goulours Cette solution peut tre extrmement intressante pour de nombreux barrages au Burkina Faso.

  • 7 5 Dispositifs fusibles divers Les dispositifs fusibles ont pour principe de seffacer pour laisser passer les crues de faible probabilit et sont en gnral dtriors, si non entrans par le courant, et le plus souvent perdus. Les crues ordinaires peuvent dverser au dessus deux ou passer par un autre dversoir. Pour limiter lincidence des cots dus la rparation ou au remplacement des lments endommags et la perte temporaire de stockage qui en rsulte, il est en gnral raisonnable de prvoir le dpart des premiers lments pour des crues de probabilit entre 1/100 et 1/1000 (le cas des flashboards dcrits plus loin tant un peu diffrent). Des dispositifs fusibles trs conomiques ont t utiliss depuis longtemps dans des versions simplifies telles que les flashboards aux Etats-Unis et les digues fusibles en Chine. Des solutions nouvelles plus fiables et plus prcises ont t rcemment tudies, testes, et, pour certaines, mises en oeuvre et utilises avec succs depuis une dizaine dannes. 5 1. Flashboards Des milliers de petits barrages aux Etats Unis ont utilis des flashboards depuis plus de 100 ans. Il sagit de plaques dresses verticalement contre des poteaux encastrs (et scells ou non) dans un seuil en bton. Les plaques sont dmontes la main avant la saison des crues ou bien les poteaux plient sous la pousse de leau pour une hauteur de lame dversante donne. Les plaques sont en gnral en bois et les poteaux sont des tubes mtalliques. Ceux-ci, pour de trs faibles hauteurs, peuvent probablement tre remplacs par de simples fers bton. Ce dispositif, valable pour de faibles hauteurs, est trs conomique mais reste peu prcis et ncessite quelques prcautions. On veillera par exemple ce que les plaques ne soient mises en place qu la fin de la saison des crues et vrifier que les poteaux nont pas t renforcs par les usagers et quils pourront plier librement bien avant que leau natteigne la crte du barrage. Il parait galement prudent de limiter leur hauteur environ 1/3 de la diffrence entre le niveau du seuil et celui de la crte du barrage. Les flashboards sont bien adapts pour augmenter le stockage des petits barrages dirrigation avec des lments de 0,50 m ou 1 m de hauteur. On peut aussi envisager leur utilisation provisoire dans lattente dune solution dfinitive plus prcise et plus performante 5 2. Digues fusibles Utilises en Chine comme vacuateurs de scurit pour des dbits parfois trs importants, leur cot par m3/sec est rduit. Il semble que la grande longueur et le site dimplantation de beaucoup de barrages au Burkina Faso pourrait permettre lutilisation de digues fusibles l o les remblais atteignent 2 3 m de hauteur. Il reste que ce dispositif, surtout sil est mal ou peu entretenu, peut poser des problmes de prcision et de fiabilit. En effet, au fil des annes, une certaine cohsion peut apparatre progressivement dans les matriaux constitutifs de la digue (sans parler de la vgtation qui peut pousser sur sa surface) de sorte que la charge deau ncessaire pour entraner la rupture de la digue tend augmenter, la digue devenant de moins en moins fusible.

  • 8 5 3. Blocs fusibles Les blocs fusibles sont des lments massifs en bton simplement poss les uns ct des autres sur le seuil dun dversoir, auto stables jusqu ce que le niveau deau lamont atteigne un certain niveau pour lequel ils basculent. Les lments (blocs) poss sur un mme seuil ont la mme hauteur mais peuvent avoir des paisseurs et donc des poids diffrents, de sorte quils basculent pour des hauteurs deau diffrentes. Ce niveau peut tre prvu avec prcision si la valeur de la sous-pression qui sexerce sous le bloc est bien connue. Une faon simple de rsoudre ce problme est de sassurer que la sous-pression est soit totale, soit inexistante. Ceci peut se faire par la cration, sous chaque bloc, dun vide soit ferm par un joint dtanchit laval et communicant avec lamont (sous- pression totale) soit ferm par un joint dtanchit lamont et communicant avec laval (sous- pression inexistante). Les blocs peuvent tre prvus pour basculer avant dtre submergs. Ils sont alors relativement hauts par rapport leur longueur ( hauteur H jusqu 2 fois la longueur L ) et la solution sans sous-pression permet de leur garder une paisseur E rduite. Ils forment en quelque sorte une crte fusible qui peut atteindre une hauteur importante et jouer le rle dun dversoir de scurit. Les blocs peuvent au contraire tre prvus pour tre submergs par une nappe deau h importante (jusqu 2 fois la hauteur H du bloc) avant de basculer. Ils sont alors relativement longs et pais par rapport leur hauteur (L/H jusqu 10 ; E/H jusqu 3) et peuvent prsenter un profilage lamont pour faciliter lcoulement. La solution sous-pression totale , bien que consommant plus de bton, parait plus intressante dans ce cas car elle donne une meilleure prcision quant au niveau deau assurant le basculement (les courbes reprsentatives du moment stabilisateur et du moment de renversement se coupent avec un angle maximum). En outre, cette solution nexige pas une grande prcision pour la position exacte du joint dtanchit, celui-ci tant situ laval, c'est--dire proche de laxe de rotation du bloc quand il bascule. Il convient simplement de veiller une aration suffisante de la nappe, ce qui est facile raliser. Ces blocs sont particulirement intressants pour lamlioration des seuils libres (augmentation du dbit par abaissement du seuil ou augmentation du stockage par relvement du plan deau ou combinaison des deux ) et semblent trs bien adapts aux nombreux petits barrage du Burkina Faso. Cette solution est donc celle qui sera dveloppe ci-aprs. Bloc avec sous-pression Bloc sans sous-pression et dversement avant basculement et basculement avant dversement Figure 10 : Les deux types de blocs fusibles (On notera les essais de murs sparateurs sur la photo de gauche).

    joint bute

    joint

    bute

  • 9 Blocs fusibles permettant le dversement avant renversement Pour sassurer que la sous-pression est totale, la partie infrieure amont du bloc sera laisse ouverte. Les extrmits latrales pourront rester galement ouvertes (quelques supports sont alors ncessaires pour assurer la stabilit du bloc sur le seuil) ou tre fermes, crant ainsi sous le bloc une chambre ferme sur trois cots et ouverte lamont. Des dispositions doivent tre prises aux extrmits des blocs pour viter que les irrgularits ou les dfauts de verticalit toujours possibles lors de leur fabrication, nentranent des frottements entre blocs ou entre un bloc et un mur sparateur lors du basculement. Une solution possible consiste rduire lgrement la longueur de la face aval du bloc pour donner celui-ci une forme trapzodale. Coupe transversale Vue damont Vue de dessous Figure 11 : Bloc type Les blocs peuvent tre placs directement cte cte, mais les nombreux essais sur modles raliss dans diffrents pays (France, Algrie, Chine, Vietnam) et coordonns par Hydrocoop, ont montr lintrt de placer un mur vertical mince entre deux blocs adjacents lorsque ceux-ci ne sont pas dune longueur trs importante. Ces murs, fixs dans le seuil, limitent linfluence de la dformation de la nappe due au dpart dun bloc, sur les blocs adjacents et augmentent ainsi la prcision du niveau de leau assurant le renversement des blocs restants. Les essais ont galement montr que ces murs navaient pas besoin davoir de grandes dimensions pour tre efficaces (voir figure 12). 1,2 E E H Vue en lvation courant Dtail dun mur sparateur L E 1,2 E Vue en plan Figure 12 : Disposition gnrale et murs sparateurs

    L H

    murs sparateurs

    murs sparateurs

    butes

  • 10 Les calculs thoriques ne sont simples quavant dversement. Aprs dversement, il est difficile de calculer lpaisseur exacte de la nappe au dessus des blocs et la pression qui sexerce contre la partie haute lamont des blocs ainsi que de prendre en compte les effets dynamiques et les frottements de leau contre les blocs. Les calculs thoriques ne permettent donc que de raliser des avant projets et des essais (par ailleurs trs simples) de calibrage sur modles rduits restent souhaitables pour prciser les paisseurs assurant les renversements pour les hauteurs deau dsires. La figure 13 montre les courbes thoriques de stabilit. La lignes brise MV reprsente le moment des forces verticales et la courbe MH le moment des forces horizontales (les moments sont calculs par rapport la bute aval) en fonction dune charge deau totale W lamont dun bloc dpaisseur E et de hauteur H. Le renversement du bloc correspond au point de rencontre de ces deux courbes. La ligne brise MV1 en pointille correspond une paisseur de bloc augmente de 10 %. MV ou MH renversement W O H Figure 13 : Diagramme de stabilit Les essais sur modles ont montr la fiabilit du rapport entre lpaisseur E dun bloc et lpaisseur de lame deau pour laquelle il bascule. Pour un avant projet trs prliminaire, on peut utiliser la formule approche suivante pour un bloc ayant la forme gnrale dcrite aux paragraphes prcdents et une densit moyenne : h = E 0,4 H qui signifie quun bloc dont lpaisseur est gale une fois et demie sa hauteur (E = 1,5 H) bascule pour une paisseur de nappe peu prs gale sa hauteur (h = H). Dans la plupart des cas, il faut environ 1 m3 de bloc de bton pour augmenter le dbit de 1 m3/sec. Lutilisation de blocs fusibles la place dun seuil classique permet la fois de rduire la quantit de bton mettre en uvre et daccrotre la capacit de lvacuateur denviron 1 m3 /sec. Seuil classique bloc fusible Figure 14 : Comparaison dun seuil classique et dun seuil quip de blocs fusibles La construction des blocs peut tre ralise trs simplement, par exemple en coulant la bton sur une couche de matriaux tout venant facile enlever aprs coulage du bton,

  • 11 recouverte dune membrane plastique comme indiqu sur la figure 15. Si les extrmits latrales restent ouvertes, quelques supports sont ncessaires pour assurer la stabilit du bloc. tout venant bouchon argileux film plastique coulage du bton supports 1 2 3 4 Figure 15 : Exemple de phases de construction Ltanchit des joints verticaux entre blocs ou entre blocs et murs sparateurs peut se faire de faon classique, par exemple laide de feuilles de caoutchouc encastres ou boulonnes dans le bloc. 5 4. Hausses fusibles (Hydroplus) Ce sont aussi des lments poss les uns cot des autres sur un seuil en bton, auto stables jusqu ce que le niveau de la retenue atteigne un certain niveau et basculant lorsque ce niveau est atteint. Elles autorisent des dversements importants au dessus delles. Par contre, le basculement est command par la cration soudaine dune sous pression importante la base de llment lorsque le niveau prvu est atteint, celle-ci restant nulle et llment trs stable tant que ce niveau nest pas atteint. Leur prcision est donc suprieure. Ralises en bton arm ou en acier, de forme droite ou labyrinthe, les hausses fusibles sont utilises avec succs dans de nombreux pays depuis plus de 10 ans. Certaines se sont dj renverses pour les niveaux deau prvus. Elles peuvent tre utilises jusqu 100 m3/sec/m et sont particulirement intressantes pour des dversoirs importants. De trs grands dversoirs ont t quips de hausses fusibles (Etats Unis, Australie, Inde, etc..). Elles sont bien plus conomiques que les vannes. Cependant, leur utilisation pour les petits barrages du Burkina Faso semble conomiquement difficilement envisageable. 6 Conclusion Il semble possible daugmenter la capacit de stockage et la scurit de beaucoup de barrages au Burkina Faso. Ceci peut se faire moindre cot et avec des moyens essentiellement locaux en utilisant des solutions simples et conomiques. Parmi celles-ci, deux solutions nouvelles paraissent particulirement bien adaptes : Les seuils libres en labyrinthe du type P.K.Weirs et les blocs fusibles dversants. Ces deux solutions pourraient faire lobjet dune certaine standardisation lchelle du pays et tre utilises pour des centaines douvrages existants et la plupart des barrages futurs. Elles peuvent sappliquer galement des ouvrages plus importants. Dans ce but, il serait intressant de raliser Ouagadougou un petit canal dessais hydrauliques (de lordre de 5 m de longueur et de 0,60 x 0,60 de section) pour vrifier le dbit des modles de labyrinthes et le dbit des blocs fusibles avant basculement, et surtout pour dmontrer aux utilisateurs et aux dcideurs, lintrt de ces solutions. ______________________________________________________________________________ Hydrocoop (Hydro-cooperation) est une organisation internationale but non lucratif cre pour promouvoir la coopration technique dans lingnierie des barrages, en particulier pour le contrle des crues, les dversoirs et les transports de sdiments. Bureau central : 4, Cit Duplan 75116 Paris France Tl./Fax : 33 1 45017206 e.mail : [email protected] Site inter net : www.hydrocoop.org


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