notions d’hydrauliqueen milieurural - web …il existe un grand nombre de mots pour désigner les...

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NOTIONS

D’HYDRAULIQUE ENMILIEU RURAL

(Cours GAE--3005)

par

Robert Lagacé, ing. et agr., professeur

Université Laval

Septembre 2011

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TABLE DES MATIÈRES

CHAPITRE 1Définitions et caractéristiques 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1 INTRODUCTION 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2 DÉFINITIONS 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1 Aval et amont 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.2 Rives gauche et droite 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3 COURS D’EAU --- VUE TRANSVERSALE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.1 Lit du cours d’eau 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.2 La berge 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4 COURS D’EAU --- VUE LONGITUDINALE 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5 CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.1 Définitions des caractéristiques 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5.2 Canaux et cours d’eau naturel 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6 TYPES D’ÉCOULEMENT 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 2Notions de base 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 INTRODUCTION 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2 LOI DE LA CONTINUITÉ 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3 L’ÉNERGIE 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1 Loi de conservation de l’énergie 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.2 Énergie spécifique 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.3 Régime d’écoulement 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 QUANTITÉ DE MOUVEMENT 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PROFONDEUR CRITIQUE D’ÉCOULEMENT 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 3Écoulement uniforme 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 INTRODUCTION 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2 PRINCIPALES ÉQUATIONS 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Chézy 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.2 Ganguillet et Kutter 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.3 Manning 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.4 Autres formules 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 COEFFICIENT DE RUGOSITÉ ”n” 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.1 Variabilité 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.2 Méthode des facteurs 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.3 Tableaux des valeurs typiques 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.4 L’examen des cours d’eau et des canaux 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.5 Équations 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.6 Méthode analytique 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4 COEFFICIENT DE RUGOSITÉ DE LA VÉGÉTATION 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.4.1 Rôle de la végétation 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5 SECTION COMPLEXE D’ÉCOULEMENT 29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.6 CONCLUSION 29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ANNEXE A SOLUTION DE LA FORMULE DE MANNING 31. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ANNEXE B PROFONDEUR NORMALE D’ÉCOULEMENT 32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ANNEXE C COEFFICIENT DE RUGOSITÉ ”n” 33. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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CHAPITRE 4Vie et stabilité des cours d’eau 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 INTRODUCTION 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2 STABILITÉ DES COURS D’EAU ET ÉCOULEMENT 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.1 Principes de base 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2 La pente de compensation 45. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3 STABILITÉ DES TALUS 46. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3.1 Pente des talus 46. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3.2 Résistance mécanique des sols 46. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3.3 Dégradation des pieds de talus 47. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3.4 Suintement des parois 48. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3.5 Détérioration par les glaces 49. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4 L’ENVASEMENT ET L’ENSABLEMENT 50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.5 LES COURBES 51. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.6 CONCLUSION 53. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 5Géomorphologie des cours d’eau 55. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1 INTRODUCTION 55. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2 CARACTÉRISTIQUES MORPHOLOGIQUES 56. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.1 Densité de drainage 56. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.2 Largeur et profondeur 56. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.3 Caractéristiques du lit 57. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.4 Méandres et sinuosité 57. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3 DÉBIT PLEIN BORD 58. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.4 PUISSANCE 58. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.5 CLASSIFICATION DES COURS D’EAU 59. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.1 Classification en quatre types 59. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.5.2 Classification de Rosgen 60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.6 ÉVOLUTION 62. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 6Section stable 65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1 INTRODUCTION 65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.1.1 Principes de base 65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.1.2 Possibilités d’intervention 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2 SECTION DU COURS D’EAU 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2.1 Profondeur minimale des cours d’eau 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2.2 Revanche 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.3 SECTION STABLE 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.3.1 Vitesses maximales acceptables 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.3.2 Méthode de la force d’arrachement (tractive force) 74. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4 PENTE DES TALUS 75. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.5 LES COURBES 75. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.6 DÉTERMINATION DE LA SECTION STABLE 76. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.7 LES VOIES D’EAU ENHERBÉES 78. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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CHAPITRE 7Enrochement 85. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.1 INTRODUCTION 85. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.2 DIMENSIONS ET ANGLE DE REPOS 85. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.3 L’ENROCHEMENT DES TALUS ET DU FOND 86. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.4 PROTECTION DANS LES COURBES 90. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.5 ENROCHEMENT DE PENTES FORTES 93. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.6 EFFONDREMENT DES TALUS 97. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.7 L’ENGAZONNEMENT DES TALUS 98. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.8 CONCLUSION 98. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 8Courbe de remous 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.1 INTRODUCTION 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.2 CONCEPTS DE BASE 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.3 FRICTION 103. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.4 CANAL TRAPÉZOÏDAL 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.5 CALCUL DE LA COURBE DE REMOUS 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.6 EXEMPLE DE COURBE DE REMOUS 105. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 9Ponceaux 109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.1 INTRODUCTION 109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.2 TYPES DE PONCEAUX 110. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.2.1 Matériaux utilisés 110. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.2.2 Forme de la canalisation hydraulique 111. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.2.3 Type d’installation et entonnement 111. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.3 HYDRAULIQUE DES PONCEAUX 112. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.3.1 Écoulement avec contrôle à l’entrée 112. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.3.2 Écoulement avec contrôle à la sortie 114. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.3.3 Écoulement critique 116. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.4 TYPE RÉEL D’ÉCOULEMENT 116. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.5 COURBES DE PERFORMANCE 116. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.5.1 Contrôle à l’entrée 116. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.5.2 Contrôle à la sortie 119. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.6 DESIGN 122. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.6.1 Facteurs hydrauliques régissant le choix des ponceaux de ferme 122. . . . . . . . . . . . . . .9.6.2 La hauteur admissible de l’eau dans la canalisation 122. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.7 CONSTRUCTION 123. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.7.1 Implantation des ponceaux 123. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.7.2 Préparation de la fondation 124. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.7.3 Mise en place et remblayage 124. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.7.4 Protection contre l’affouillement et contre l’érosion 124. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 10Érosion et conservervation des sols 145. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.1 INTRODUCTION 145. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.2 PROCESSUS ET EFFETS DE L’ÉROSION 145. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.1 Le processus 145. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.2.2 Les effets 146. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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10.3 MÉCANISMES PROVOQUANT L’ÉROSION 146. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.3.1 L’impact des gouttes de pluie 146. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.3.2 La force d’arrachement de l’écoulement 148. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.3.3 Le transport 148. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.3.4 La déposition 148. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.4 TYPES D’ÉROSION 149. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4.1 L’érosion par l’impact des gouttes de pluie 149. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4.2 L’érosion en nappe (sheet erosion) 149. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4.3 L’érosion en rigoles 149. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4.4 Le ravinement 149. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4.5 L’érosion dans les cours d’eau 150. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4.6 Une classification réaliste et pratique 150. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.5 FACTEURS INFLUENÇANT L’ÉROSION HYDRIQUE 150. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.5.1 La nature du sol 150. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.5.2 Le couvert végétal 151. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.5.3 Les facteurs climatiques 151. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.5.4 Les facteurs topographiques 152. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.6 MOYENS DE CONTRÔLE OU DE CONSERVATION 152. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.1 Les principes de conservation 152. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.2 Régie des cultures et des sols 153. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.3 Les méthodes culturales 153. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.4 Les méthodes de conservation 154. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.5 Les cultures en contour 154. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.6 Les cultures en bandes 155. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.6.7 Les terrasses 156. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.7 LUTTE AU RAVINEMENT 158. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.8 CONCLUSION 158. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 11Équation universelle des pertes de sol 161. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.1 INTRODUCTION 161. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2 L’ÉQUATION UNIVERSELLE DES PERTES DE SOL 161. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.3 INDICE D’ÉROSIVITÉ POTENTIELLE DES PRÉCIPITATIONS (R) 162. . . . . . . . . . .

11.3.1 La méthode du El30 162. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.3.2 Validité de la méthode du EI30 au Québec 164. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.3.3 Une méthode approximative 165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.3.4 L’indice R au Québec 165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.4 INDICE D’ÉRODIBILITÉ DES SOLS (K) 166. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.5 FACTEURS TOPOGRAPHIQUES (LS) 170. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.5.1 Pour une pente régulière 170. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.5.2 Pour une pente irrégulière 170. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.6 FACTEUR DE CULTURE (C) 172. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.7 FACTEUR DE CONSERVATION (P) 175. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.8 LIMITES DE L’ÉQUATION UNIVERSELLE DES PERTES DE SOL 176. . . . . . . . . . . .11.9 UTILITÉ DE L’ÉQUATION 176. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.10 SA VALIDITÉ AU QUÉBEC 177. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.11 CONCLUSION 177. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

CHAPITRE 12

Concepts d’intérêt pour le design 183. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12.1 INTRODUCTION 183. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.2 FONCTIONNALITÉ ET PÉRENNITÉ 183. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12.2.1 Cours d’eau et voies d’eau 184. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.2.2 Ponceaux 185. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12.3 BRIS CONTRÔLÉ 186. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.4 CONCLUSION 186. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 13

Cours d’eau et écologie 187. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13.1 INTRODUCTION 187. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.2 LA BERGE 188. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.3 VÉGÉTATION DES BERGES 188. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.4 FAUNE RIVERAINE 190. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.5 MULTIPLES FONCTIONS DES BERGES NATURELLES 191. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 14

Cours d’eau et paysage 193. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.1 INTRODUCTION 193. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.2 RÔLE PAYSAGER DE LA BERGE 193. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3 CARACTÉRISTIQUES PAYSAGÈRES DE LA BERGE 194. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.3.1 Hauteur apparente de la berge 195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.2 Pente de la berge 195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.3 Degré d’artificialisation des matériaux constitutifs et de leur mise en œuvre 196. . .14.3.4 Diversité longitudinale 197. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.4 CONCLUSION 198. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 15

Ressaut hydraulique 199. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15.1 INTRODUCTION 199. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.2 RESSAUT DANS UN CANAL RECTANGULAIRE 199. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.3 RESSAUT DANS UN CANAL NON RECTANGULAIRE 204. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.4 LOCALISATION DU RESSAUT 209. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.5 DÉBIT VARIABLE 210. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.6 RESSAUT SUBMERGÉ 211. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.7 RESSAUT SUR PLAN INCLINÉ 212. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 16

Seuils dissipateurs d’énergie 215. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16.1 INTRODUCTION 215. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.2 COURS D’EAU, DISSIPATION DE L’ÉNERGIE ET SEUILS 215. . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.3 COMPOSANTES ET TYPES DE SEUILS 217. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.4 CONCEPTION D’UN SEUIL 220. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.5 ZONE D’APPROCHE ET DÉVERSOIR 221. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.6 CHUTE INCLINÉE 223. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.7 CHUTE VERTICALE 224. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.8 BASSINS 227. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16.9 FOSSES NATURELLES 228. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

viii

CHAPITRE 17

Design des seuils dissipateurs d’énergie 233. . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.1 INTRODUCTION 233. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.2 ÉTAPES NÉCESSAIRES A LA CONCEPTION DES SEUILS 233. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.2.1 Caractéristiques du milieu 233. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.2.2 Aménagement du cours d’eau 234. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.2.3 Pente maximale 234. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.2.4 Hauteur du seuil 234. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.2.5 Déversoir 236. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.2.6 Chute et bassin de dissipation 240. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.3 CARACTÉRISTIQUES DU COURS D’EAU 243. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.4 PENTE MAXIMALE 243. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.5 HAUTEUR DU SEUIL 244. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.6 DÉVERSOIR 245. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.6.1 Aménagement de seuils avec recreusage du cours d’eau 245. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.6.2 Aménagement de seuils dans un cours d’eau dégradé 246. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.6.3 Chute et bassin de dissipation 251. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.6.4 Chute inclinée avec bassin en dépression 251. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.6.5 Chute verticale avec bassin en dévers 253. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.6.6 Chute verticale avec fosse de dissipation 255. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.7 SEUIL EN ENROCHEMENT LIBRE 257. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.7.1 Déversoir 257. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.7.2 Angles d’enrochement 258. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.7.3 Diamètre des pierres de l’enrochement 259. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.7.4 Longueur de la crête 259. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.7.5 Diamètre des pierres du bassin de dissipation 259. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17.7.6 Considérations pratiques pour la construction 260. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.8 SIPHONNEMENT 261. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 18

Bassins de rétention et de sédimentation 271. . . . . . . . . . . . . . . . .

18.1 BASSIN DE RÉTENTION 271. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18.2 BASSINS DE SÉDIMENTATION 271. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18.2.1 Bassin sec 271. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18.2.2 Bassin humide 271. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18.3 BASSIN DE RÉTENTION 272. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18.3.1 Structures de contrôle 274. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18.3.2 Impact hydrologique 275. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18.4 BASSIN DE SÉDIMENTATION 276. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18.4.1 Bassin sec 277. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18.4.2 Bassin humide 278. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix

CHAPITRE 19

Génie végétal 281. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.1 INTRODUCTION 281. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.2 BOUTURE (Cutting/slip) 282. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.3 MARCOTTAGE (Layering (plant) ; layer) 283. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.4 PEIGNE (Live brush gully plugging) 284. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.5 FASCINE D’HÉLOPHYTES (Marsh reed roll/swamp reed roll) 285. . . . . . . . . . . . . . . . . .19.6 TRESSAGE DE SAULES (Willow weaving) 286. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.7 FASCINE DE SAULES (Willow fascine) 287. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.8 COUCHE DE BRANCHES À REJETS (live brush mattress) 288. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.9 LIT DE PLANTS ET PLAÇONS (Hedge brush layer) 290. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.10 CAISSONS VÉGÉTALISÉS (Log cribwall with branchlayers) 291. . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.11 TREILLAGE---BOIS (Wooden grating) 292. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19.12 TECHNIQUES MIXTES 293. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 20

Aménagement / Restauration 295. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.1 INTRODUCTION 295. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.2 TERMINOLOGIE 295. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.3 APPROCHE UTILITAIRE 296. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.4 AGIR OU LAISSER FAIRE LA NATURE 296. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.5 LE COURANT RESTAURATION 297. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.6 L’APPROCHE DU USDA---NRCS 297. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.6.1 Design au seuil limite (threshold channel design) 297. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.6.2 Cours d’eau alluvionnaires 297. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.6.3 Cours d’eau à deux niveaux (Two stage channel design) 298. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.7 L’APPROCHE BIOTEC --- GÉNIE VÉGÉTAL 298. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.8 LA NATURALISATION 299. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20.9 CONCLUSION 299. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 1Définitions et caractéristiques

1.1 INTRODUCTIONCe premier chapitre présente la terminologie décrivant les cours d’eau, les vues transversaleset longitudinales, les caractéristiques géométriques et les types d’écoulement susceptibled’être rencontrés.

1.2 DÉFINITIONSDe nombreux termes sont utilisés pour désigner les structures dans lesquelles l’eau s’écoule.Voici les principaux termes et les définitions que le dictionnaire Larousse en donne :

Cours d’eau : tout chenal dans lequel s’écoule un flux d’eau continu ou temporaire. Il estun terme général pour désigner un fleuve, une rivière, un ruisseau, un torrent, unoued. Au Québec, le cours d’eau a une définition juridique.

Canal : un chenal artificiel creusé par l’homme et utilisé soit pour la navigation ou le flot-tage, soit pour l’irrigation ou l’assèchement de certaines régions. Les canaux sui-vent en général de longues lignes droites.

Il existe un grand nombre de mots pour désigner les différents types de cours d’eau.

Ruisseau : petit cours d’eau, de faible largeur et de longueur limitée, alimentée par dessources d’eau naturelles, souvent affluent d’un étang, d’un lac ou d’une rivière.Les ruisseaux se trouvent à la tête des bassins versants.

Rivière : cours d’eau moyennement important, à écoulement continu ou intermittent, sui-vant un tracé défini et se jetant dans un autre cours d’eau, un lac, une mer. abon-dant, et particulièrement celui qui se jette dans un fleuve.

Fleuve : cours d’eau important, long et au débit élevé, comptant de nombreux affluents et sejetant dans la mer.

Oued : terme d’origine arabe désignant un cours d’eau temporaire dans les régions aridesou semi--arides. Son écoulement dépend des précipitations et il peut rester à secpendant de très longues périodes.

2 DÉFINITIONS ET CARACTÉRISTIQUES

Torrent : cours d’eau au débit rapide et régulier, situé sur une pente plus ou moins pronon-cée. Les torrents se retrouvent sur des terrains accidentés ou en montagne. Ceterme est utilisé principalement pour désigner les cours d’eau de montagne avecun lit rocheux et encaissé.

Fossé : fosse creusé en long dans le sol servant à l’écoulement des eaux, à la séparation desterrains (ex. fossé de voie publique ou privée, fossé mitoyen, fossé de drainage).

Émissaire : canal d’évacuation des eaux de drainage.

Dans ce document, nous n’utiliserons que les termes ”cours d’eau” et ”canal”.

1.2.1 Aval et amont

L’amont (vers la montagne) est la partie la plus élevée du cours d’eau du point de vue de l’ob-servateur et l’aval (vers la vallée) est la partie la plus basse.

1.2.2 Rives gauche et droite

La rive gauche et la rive droite d’un cours d’eau sont identifiées par un observateur se dépla-çant dans le sens de l’écoulement de l’eau, de l’amont vers l’aval.

1.3 COURS D’EAU -- VUE TRANSVERSALE

1.3.1 Lit du cours d’eau

Le niveau d’eau et l’espace occupé par le cours d’eau varie en fonction de son débit. Un coursd’eau analysée selon sa coupe transversale (figure 1.1) présente une section principale occu-pée par les écoulements normaux (appelé lit mineur) et une plaine d’inondation occupée lors-que le cours d’eau est en crue.

Figure 1.1 Coupe transversale d’un cours d’eau.

COURS D’EAU -- VUE TRANSVERSALE3

Les principaux termes sont :

Lit : désigne tout l’espace occupé, en permanence ou temporairement, par un cours d’eau.

Lit mineur : lit du cours d’eau en écoulement normal.

Lit majeur : lit qu’occupe le cours d’eau lors des crues, incluant les zones inondées.

Lit d’étiage ou chenal d’étiage : partie du cours d’eau occupé lors des étiages.

Plaine d’inondation : zone de terrain inondée lors du chenal du cours d’eau lorsque lecours d’eau est en crue.

1.3.2 La berge

La berge est la portion de terrain qui limite tout cours d’eau et elle est subdivisée en deux par-ties (figure 1.2) : :

Figure 1.2 La berge dans un cours d’eau (Verniers, 1995).

talus proprement dit, qui n’est qu’occasionnellement en contact avec le courant et qui estsitué au--dessus du niveau moyen des eaux.

pied de talus : la zone du talus soumise à l’action quasi permanente du courant et qui estsituée sous le niveau moyen des eaux ;

La limite inférieure de la berge est le point le plus bas du pied (fond du lit); la limite supérieureétant le point le plus haut du talus au--delà duquel on considère la plaine alluviale. Ces limitesdéterminent ce que l’on appelle le lit mineur du cours d’eau.

La berge, c’est aussi la zone de transition entre le milieu aquatique et le milieu terrestre. De parcette situation, elle possède une grande valeur écologique. En effet, la constitution d’unelisière augmente la gamme des microhabitats favorisant de ce fait la diversité et la densité desespèces végétales et animales.


1.4 COURS D’EAU -- VUE LONGITUDINALE

L’espace longitudinal et latéral qu’occupe un cours d’eau et ses composantes (chenal principalet plaine d’inondation) est appelé “corridor du cours d’eau” (figure 1.3). La figure présentaussi les principaux termes utilisés.

Figure 1.3 Concept de corridor d’un cours d’eau.

Ligne des hautes eaux

Ligne des hautes eaux

Lit

Ligne de talweg

Boisé

Boisé

Boisé

Boisé

Plaine d’inondation

Berges

Ligne de vallée

La description longitudinale d’un cours d’eau est souvent représentée par le profil longitudinal(figure 1.4) qui représente l’élévation du fond du cours d’eau en suivant la ligne du talweg ducours d’eau (endroit le plus profond). Le haut de la berge et les structures (ponceaux, barrages,etc.) installées le long du cours d’eau peuvent aussi y être présentés.

Un cours d’eau peut être divisé en tronçons à l’intérieur des quelles les caractéristiques sontsimilaires ou relativement uniformes.

CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES5

Figure 1.4 Profil longitudinal d’un cours d’eau.

0+00 5+00 10+00 15+00 20+00

Chaînage (m)

42

46

44

48

Éléva

tion(m

)

Ponceau

Ligne de talweg

Niveau supérieur de la berge

La sinuosité est définie comme le rapport de la longueur de la ligne de talweg sur la longueur dela ligne de vallée pour un tronçon.

[1.1]Sin =LtaLva

Sin = sinuosité

Lta = Longueur de la ligne de talweg (L)

Lva = Longueur de la ligne de vallée (L)

Lorsque cette valeur est supérieure à 1,3, le tronçon du cours d’eau est considéré commesinueux.

1.5 CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES

1.5.1 Définitions des caractéristiques

Avant de présenter les lois de l’hydraulique, la connaissance des caractéristiques géométri-ques se rapportant aux canaux et aux cours d’eau s’impose. Voici les principales caractéristi-ques utiles (Figure 1.5) :

Section “A“ : Section normale à la direction de l’écoulement et au travers de laquelle l’eaus’écoule (L2).

Périmètremouillé “P“ : Longueur de la ligne de contact entre le canal et l’eau dans un plannormal à la direction de l’écoulement (L).


Figure 1.5 Canal trapézoïdal et définition des termes.

T

t

yr

b

d

1

zy

Rayon hydraulique “Rh“ : Rapport entre la section d’écoulement “A“ et le périmètremouillé “P“ (L).

[1.2]Rh= AP

Profondeur d’écoulement ou hauteur d’eau “y“ : Épaisseur d’eau dans le cours d’eauau--dessus du fond (L).

Pente des talus “z:1“ : La pente d’un talus est le déplacement horizontal pour une élévationunitaire du talus (L/L). Chaque talus peut avoir sa pente propre.

Largeur au fond ou largeur au plafond “b“ : Largeur du cours d’eau au bas de la sec-tion (L)

Largeur de surface ou largeur au miroir “t“ : Largeur de la surface libre de l’eau dans lecanal (L).

[1.3]t = dAdy

Largeur du canal ou largeur d’ouverture “T“ : Largeur du canal d’une rive à l’autre (L).

Revanche “yr“ : Hauteur libre considérée au--dessus du plan d’eau lors du design ou différ-ence entre la profondeur du cours d’eau “d” et la profondeur d’écoulement (L).

Profondeur hydraulique “D“ : Rapport entre la section d’écoulement et la largeur de lasurface libre de l’eau (L).

[1.4]D = A

t

TYPES D’ÉCOULEMENT7

Facteur d’écoulement critique “Z“ : Facteur considéré lors du calcul de l’écoulement cri-tique (L).

[1.5]Z = A D = A3

t

Facteur d’écoulement uniforme “A Rh2/3“ : Facteur considéré lors du calcul de la profon-deur d’écoulement (L5/3).

1.5.2 Canaux et cours d’eau naturel

Le tableau 1.1 présente les équations des principales caractéristiques précédemment définiespour les principaux types de canaux réguliers.

Lorsque nous sommes en présence de cours d’eau naturels, la géométrie est irrégulière et com-plexe. La section d’un cours d’eau est représentée par une coupe transversale détaillée. La sec-tion peut être parfois décrite par une combinaisons de sections régulières. Dans les cas pluscomplexes, la géométrie peut être représentée par les élévations du terrain (lits, berge et zoned’inondation) prise de façon perpendiculaire au cours d’eau. Le talweg est considéré comme lecentre de la section. Les propriétés sont calculées par des méthodes graphiques ou numériquesen fonction de la hauteur d’eau au--dessus du fond (talweg) et elle sont présentées sous formede tableau.

1.6 TYPES D’ÉCOULEMENT

Les différents types d’écoulement sont classifiés selon les variations du débit ou les variationsdes sections dans un cours d’eau.

Écoulement stable : L’écoulement est considéré stable lorsque le débit demeure constant àune section donnée. L’écoulement tend à être stable dans les rivières sauf pendantles périodes de ruissellement intense.

Écoulement instable : L’écoulement est considéré instable lorsque le débit varie à une sec-tion donnée. Ce type d’écoulement se rencontre dans les canaux de diversion, lescanaux de terrasse, les évacuateurs de crue, etc.

Écoulement uniforme : L’écoulement est considéré uniforme lorsqu’il est stable et que savitesse d’écoulement est stable d’une section à l’autre. Le canal ou le cours d’eaudoit avoir une section et une pente constantes.

Écoulement non uniforme : L’écoulement est considéré non uniforme lorsque sa vitessemoyenne change d’une section à l’autre du cours d’eau. L’écoulement est non uni-forme lorsque la section d’un cours d’eau varie. Il est aussi non uniforme à l’entréed’un ponceau, au--dessus d’un barrage. Il existe deux types d’écoulement non uni-forme : l’écoulement graduellement modifié et l’écoulement rapidement modifié.

Écoulement graduellementmodifié : Lorsque la section d’écoulement change graduelle-ment à cause de la présence d’un obstacle comme un barrage, un pilier ou un pon-ceau, l’écoulement est considéré comme graduellement modifié.


Écoulement rapidement modifié : L’écoulement rapidement modifié se produit en géné-ral lorsque l’écoulement passe du régime fluvial au régime torrentiel ou l’inverse.Ce type d’écoulement se rencontre dans les chutes, les ressauts et les ponceaux. Sil’équation d’énergie décrit l’état final ou initial de cet écoulement, elle nous per-met difficilement d’en prédire les états intermédiaires. En général, ces situationsd’écoulement rapidement modifié sont décrites par des modèles semi--empiri-ques.

BIBLIOGRAPHIE

Verniers, G. 1995. Aménagement écologique des berges des cours d’eau -- techniques de stabi-lisation. Presses Universitaires de Namur, Belgique, 77 pages.

9

Tabl

eau

1.1

Car

acté

rist

ique

sgé

omét

riqu

esde

spr

inci

pale

sfo

rmes

deca

naux

.


PROBLÈMES SÉRIE 1.

1.1. Déterminez la section d’écoulement, le périmètre mouillé et le rayon hydraulique d’uncanal trapézoïdal possédant une base de 2 m, une profondeur de 1 m, une profondeurd’écoulement de 1 m et des talus de pente 1:1.

1.2. Déterminez la section d’écoulement, le périmètre mouillé et le rayon hydraulique d’uncanal triangulaire possédant une profondeur de 0,5 m, une profondeur d’écoulement de0,4 m et des talus de pente 4:1.

1.3. Déterminez la section d’écoulement, le périmètre mouillé et le rayon hydraulique ducours d’eau suivant coulant dans une plaine d’inondation.

4 m

8 m

3 m2 m

30 m

4

11

4

Canal principal : pente des talus 1:1

1.4. Déterminez la section d’écoulement, le périmètre mouillé et le rayon hydraulique ducours d’eau de la question précédente en fonction de la hauteur d’eau dans le coursd’eau. Vous pouvez procéder par des pas de 20 cm de hauteur.

CHAPITRE 2Notions de base

2.1 INTRODUCTION

Le présent chapitre présente sommairement les lois et les notions de base d’hydraulique quel’ingénieur ou le technicien doit connaître. Il présente la loi de de la continuité, les lois et élé-ments liés à l’énergie des écoulements et le concept de quantité de mouvement.

2.2 LOI DE LA CONTINUITÉ

La première loi qui décrit un écoulement est la loi de la continuité :

[2.1]V =QA

V = vitesse moyenne de l’eau (L/T)

Q = débit (L3 /T)

A = section d’écoulement (L2)

2.3 L’ÉNERGIE

2.3.1 Loi de conservation de l’énergie

L’énergie par unité de poids en un point peut être décrite en terme de hauteur de colonne d’eau :

[2.2]E = Énergie potentielle+ Énergie de pression+ Energie cinétique

12 NOTIONS DE BASE

[2.3]E = z+ y+ αV2

2g

α = coefficient de répartition des vitesses (1.0 -- 1.3) *

g = constante d’accélération gravitationnelle (L/T2)

En accord avec la loi de la conservation de l’énergie, l’énergie totale d’un point aval est égale àl’énergie totale d’un point amont plus les pertes d’énergie par friction que cause l’écoulement(Figure 2.1) et permet d’écrire la loi de la conservation de l’énergie :

[2.4]z1 + y1 + α1V

21

2 g= z2 + y2 + α2

V22

2 g+ hf

hf = perte d’énergie en terme de hauteur de colonne d’eau**

Figure 2.1 Répartition de l’énergie dans un écoulement à surface libre.

NIVEAU DE RÉFÉRENCE

V12

2 g

V22

2 gy1

y2

z1 z2

hf

1S0

La ligne décrivant l’énergie totale en tout point est la ligne d’énergie (Figure 2.1) et la variationde cette ligne correspond à la perte d’énergie absorbée par l’écoulement. Lorsque les coeffi-cients de répartition de vitesse ”α1“ et ”α2“ égalent l’unité et que les pertes de charge “hf” sontnulles, nous retrouvons l’équation de Bernouilli.

Dans le cas d’un écoulement uniforme où la section d’écoulement est constante, la ligned’énergie, la surface d’écoulement et la ligne de fond du canal sont parallèles. Dans un tel cas,la pente du canal “S” ou “So”, le gradient hydraulique “Sw” et le gradient d’énergie sont égaux :

[2.5]S = Sw =hfL

* Égale à l’unité lorsque les pentes sont faibles (cas général).** Aussi connu sous le nom de ”perte de charge”.

L’ÉNERGIE 13

2.3.2 Énergie spécifique

L’énergie spécifique est définie comme l’énergie par rapport à la ligne de fond du canal oucours d’eau. En considérant l’équation [1.7] où z = 0, l’énergie spécifique s’écrit :

[2.6]Es = y+ α V2

2 g

[2.7]Es = y+ αQ2

2 g A2 = y+ αQ2

2 g A(y)2

L’équation [2.7] montre que pour une section et un débit donnés, l’énergie spécifique est uni-quement fonction de la profondeur d’écoulement (la section étant fonction de la forme et de laprofondeur d’écoulement). Lorsque nous traçons la courbe d’énergie spécifique pour un débitdonné et un type de section donnée (Figure 2.2), nous remarquons qu’il existe deux profon-deurs d’écoulement pour un mêmeniveau d’énergie, sauf lorsque le niveau d’énergie estmini-mum. Le ressaut (Figure 2.3) est le cas le plus familier qui démontre l’existence de deux pro-fondeurs d’écoulement pour un même niveau d’énergie spécifique.

Figure 2.2 Courbes d’énergie spécifique.

Lorsque le niveau d’énergie est minimum, nous sommes en présence de la profondeur critiqued’écoulement “yc“. Cette dernière est obtenue lorsque la première dérivée de l’équation [2.7]par rapport à la profondeur d’écoulement devient nulle :

[2.8]dEs

dy= 1 − α

Q2

g A3dAdy

= 0

14 NOTIONS DE BASE

Figure 2.3 Le ressaut.

Comme dA/dy = t et D = A/t, l’équation [2.8] peut être réécrite :

[2.9]dEs

dy= 1 − α

Q2

g A2tA= 1 − α V2

g D= 0

et la profondeur critique est obtenue et correspond lorsque le nombre de Froude (Fr) égalel’unité :

[2.10]α V2

2 g= D

2

[2.11]Q

A g Dα = Vg Dα = 1 = Fr

Fr = nombre de Froude

Pour un canal rectangulaire “A = by”, l’équation [2.11] s’écrit :

[2.12]Q

b yc g ycα = 1

[2.13]Q

b gα = yc32

[2.14]yc = α Q2

b2g13

L’énergie spécifique minimale correspondant à la profondeur critique peut aussi être obtenue :

[2.15]Es = yc + α V2

2 g= yc + D

2= yc+

yc2= 3

2yc

L’ÉNERGIE 15

[2.16]yc = 23Es

Z = facteur de profondeur critique d’écoulement = F(yc)

Dans les canaux non rectangulaires, la profondeur critique peu déterminée par itérations ouessais et erreurs en utilisant les équations [2.8], [2.11] et [2.10]. Les débits et les dimensionsdes canaux doivent être connus.

Des équations empiriques ont aussi été développées pour quelques sections typiques.

Pour un canal trapézoïdal (French, 1999) :

[2.17]yc 0, 81 α Q2

2 g z0,75 b1,250,27

− b30 z

Pour un canal triangulaire (French, 1999) :

[2.18]yc 2 α Q2

g z21,20

Pour une conduite circulaire (French, 1999) :

[2.19]yc

1, 01d0,26α Q2

g 0,25

d = diamètre de la conduite (L)

La figure 2.6 présente une abaque permettant de calculer la profondeur critique des écoule-ments dans les canaux trapézoïdaux.

À une profondeur critique d’écoulement correspond une vitesse critique d’écoulement (Vc) etune pente critique d’écoulement (Sc). La vitesse critique se calcule facilement à l’aide del’équation [2.1] lorsque la profondeur critique d’écoulement est connue et la pente critiques’évalue par l’un des modèles décrivant l’écoulement uniforme (chapitre 3).

2.3.3 Régime d’écoulement

La notion de profondeur critique d’écoulement permet de classifier les différents régimesd’écoulement uniforme (Figure 2.4).

Régime critique d’écoulement : lorsque la profondeur d’écoulement égale la profon-deur critique d’écoulement, ou que la pente du canal (ou cours d’eau) égalela pente critique de l’écoulement.

Régime fluvial (subcritique) : Lorsque la profondeur d’écoulement est plus grandeque la profondeur critique, ou que la pente du cours d’eau est plus faibleque la pente critique de l’écoulement.

16 NOTIONS DE BASE

Régime torrentiel (supercritique) : lorsque la profondeur d’écoulement est plus fai-ble que la profondeur critique, ou que la pente du cours d’eau est plusgrande que la pente critique de l’écoulement.

Figure 2.4 Régimes d’écoulement.

ÉCOULEMENTFLUVIAL

ÉCOULEMENTCRITIQUE

ÉCOULEMENTTORRENTIEL

QUANTITÉ DE MOUVEMENT 17

2.4 QUANTITÉ DE MOUVEMENT

Nous venons de voir que dans tout phénomène hydraulique, l’énergie est conservée et il en estdemêmepour la quantité demouvement en accord avec la seconde loi deNewton. La variationde quantité de mouvement par unité de temps d’une masse d’eau coulant dans un canal estégale à la résultante des forces extérieures agissant sur cette masse. En appliquant ce principe àunemasse d’eau coulant sur une pente (Figure 2.5) nous obtenons l’équation de base suivante :

[2.20]Qwg β2V2 − β1V1

= P1 − P2 +W sin θ− Ff

w = poids spécifique de l’eau

ß = coefficient de la quantité de mouvement en fonction de la répartitiondes vitesse (1.01 -- 1.12)

P1 et P2 = forces de pression

W = poids de la masse d’eau

Ff = force externe de friction

Figure 2.5 Application du principe de conservation de la quantité de mouvement.

L’utilité de cette équation est de pouvoir évaluer la hauteur en aval de l’écoulement d’un res-saut (Figure 2.3). La difficulté avec l’équation d’énergie [2.4] réside dans le fait qu’il est diffi-cile d’évaluer la perte d’énergie par friction interne alors que l’équation de la quantité de mou-vement ne requiert que la connaissance des forces externes.

18 NOTIONS DE BASE

PROFONDEUR CRITIQUE D’ÉCOULEMENT

0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

1000,00

0,10 1,00 10,00ycb

b

y 1z z = 12

z = 6z = 4z = 3z = 2z = 1,5z = 1

Q αg

b2,5

Figure 2.6 Courbes de la profondeur critique d’écoulement (canal trapézoïdal).

BIBLIOGRAPHIE 19

BIBLIOGRAPHIE

Anonyme, 1954. Handbook of Channel Design for Soil and Water Conservation. United StateDepartment of Agriculture, Soil Conservation Service. SCS--TP--61.

Chow, Ven Te, 1959. Open--Channel Hydraulics. McGraw--Hill, Toronto.

French, R. H. 1999. Hydraulics of Open Channel Flow. Dans : Mays, L. W. (éd.). 1999.Hydraulic Design Handbook. Mc Graw Hill, New York.

Schwab, G.O., R.K. Frevert, T.W. Edminster et K.K. Barnes, 1966. Soil and Water Conserva-tion Engineering. John Wiley and Sons, New York.

Simon, A.L., 1976. Practical Hydraulics. John Wiley and Sons, Toronto.

20 NOTIONS DE BASE


2.1. Déterminez la profondeur critique d’écoulement lorsqu’un débit de 1 m3/s coule dansun canal rectangulaire ayant une largeur de 2 m.

2.2. Déterminez la profondeur critique d’écoulement lorsqu’un débit de 1 m3/s coule dansun canal trapézoïdal ayant une largeur de 2 m et une pente de 1:1 pour les talus.

2.3. Déterminez la profondeur critique d’écoulement lorsqu’un débit de 1 m3/s coule dansun canal triangulaire ayant une pente de 2:1 pour les talus.

2.4. Déterminez la profondeur critique d’écoulement lorsqu’un débit de 1 m3/s coule dansun tuyau de 1,8 m de diamètre.

CHAPITRE 3Écoulement uniforme

3.1 INTRODUCTION

Le présent chapitre présente les équations décrivant l’écoulement uniforme, principalementl’équation de Manning.

3.2 PRINCIPALES ÉQUATIONS

3.2.1 Chézy

Chézy a été, en 1769, le premier à présenter une formule pour décrire les écoulements à surfacelibre et uniforme dans les canaux. Elle est présentée sous la forme :

[3.1]V = C Rh S

V = vitesse moyenne de l’écoulement (L/T)

Rh = rayon hydraulique (L) )

S = pente hydraulique ou pente du cours d’eau (L/L)

C = coefficient de résistance (L1/2/T)

Elle est considérée comme l’équation générale en hydraulique et peut facilement être démon-trée théoriquement. Elle est basée sur les hypothèses que la force de résistance à l’écoulementest proportionnelle au carré de la vitesse de l’écoulement et que la surface de résistance estégale au produit du périmètre mouillé et de la longueur du canal.

Lesmodèles qui ont été développés par la suite, utilisent, en général, l’équation de Chézy danslaquelle ils cherchent à mieux décrire le coefficient ”C”.

22 ÉCOULEMENT UNIFORME

3.2.2 Ganguillet et Kutter

En 1869, deux ingénieurs suisses, suite à de nombreux relevés principalement sur de grandesrivières, présentent une équation pour décrire le coefficient ”C” de l’équation de Chézy. Elleest connue sous le nom de formule de Kutter :

[3.2]C =23+ 0,00155

S+ 1

n

1+ 23+ 0,00155S n

Rh

n = coefficient de rugosité

Elle a été largement utilisée en Allemagne, en Angleterre, aux U.S.A. et au Québec. Elle peutêtre présentée sous forme d’abaque ou de tables.

3.2.3 Manning

En 1809, un ingénieur irlandais nomméManning présenta une formule qui, par la suite, a étéréduite à la forme que l’on connaît :

[3.3]V = 1n Rh23S12

où le coefficient de Chézy a pour valeur :

[3.4]C = 1n Rh16

V = vitesse de l’écoulement (m/s)

Rh = rayon hydraulique (m)

S = pente (m/m)

n = coefficient de rugosité de Manning

Cette formule a été dérivée des formules existantes et vérifiée par 170 relevés qui sont tirésprincipalement des expériences de Bazin (Chow, 1959).

En 1936, le comité exécutif de la ThirdWorld Power Conference recommande l’utilisation dela formule deManning à l’échelle internationale (Chow, 1959). Par la suite, elle est devenue laplus usitée pour le calcul des écoulements uniformes en canaux ouverts. Les ingénieurs la pré-fèrent à cause de sa simplicité et de sa facilité d’utilisation.

Plusieurs noms sont associés à la formule deManning, soit parce qu’ils aient présenté la formesimplifiée ou qu’ils aient obtenu une formule semblable de façon indépendante. Ces noms sontG.H.L. Hagen en 1876, Philippe--Gaspard Gauckler en 1868 et Strickler en 1923 (Chow,1959).

Chow (1959) rapporte que Bankhmeteff et Feodoroff ont comparé la formule de Manning,Kutter et Bazin en utilisant les équations de distribution de vitesse. Leurs résultats montrentque la formule de Manning est la meilleure de celles considérées.

COEFFICIENT DE RUGOSITÉ 23

À cause de sa simplicité, la formule deManning peut se transposer en une abaque simple d’uti-lisation (Appendice A). Pour les sections de géométrie simple, la formule deManning présen-tée sous forme de figure permet de calculer directement la profondeur normale d’écoulement(Appendice B).

3.2.4 Autres formules

Plusieurs autres formules ont été dérivéesmais elles ont connu une utilisation plutôt restreinte,car elles possédaient souvent une précision moindre que celle deManning ou Kutter sans êtreplus simples. Les plus connues sont celles de Bazin (en 1897), Powell (en 1950).

À cause de la variabilité observée de l’exposant du rayon hydrauliqueRh (0,65 à 0,84), certainshydrauliciens ont essayé de décrire cet exposant. Ces formules sont plutôt présentées commedes cas particuliers. Elles sont rencontrées principalement dans le cas des conduites ferméescomme celles des égouts.

L’écoulement uniforme peut aussi être estimé avec l’équation de Darcy--Weisbach avec lecoefficient “f”.

3.3 COEFFICIENT DE RUGOSITÉ ”n”

3.3.1 Variabilité

L’une des plus grandes difficultés lors de l’utilisation de la formule de Manning ou de Kutter,est la détermination du coefficient de rugosité ”n”. Pour les deux formules, les coefficients derugosité ”n” sont presqu’identiques lorsque les pentes sont supérieures à 0,0001 et que lesrayons hydrauliques sont compris entre 0,3 m et 10 m. Les coefficients de rugosité ”n” sontidentiques pour les deux formules lorsque le rayon hydraulique égale 1.0 m.

Le coefficient de rugosité ”n” est influencé par plusieurs facteurs dont voici une descriptionsommaire :

Rugosité du lit et des parois : La granulométrie du lit du cours d’eau ou de son péri-mètre mouillé influence le coefficient de rugosité. Plus la granulométrie estgrossière, plus la rugosité est élevée.

Irrégularités dans le lit : Les irrégularités dans le fond du cours d’eau telles que lesdépressions, les lames de sable occasionnées par l’envasement, l’ensable-ment ou de l’affouillement dans le cours d’eau. Le matériel transporté dansle fond du cours d’eau par l’écoulement contribue à augmenter la rugosité.

Changement dans la section : Des changements graduels et peu fréquents dans la sec-tion du cours d’eau ont peu d’influence sur la rugosité générale du coursd’eau. Par contre, des changements fréquents et brusques influent surl’écoulement d’une façon équivalente à une augmentation de la rugosité ducours d’eau.

Obstacles : La présence d’obstacles, tels que les grosses pierres, ponceaux, freinentl’écoulement et amènent une augmentation équivalente de la rugosité.


Végétation : La présence de végétation sur les berges (talus) et dans le fond du coursd’eau accroît la rugosité. Lorsque cette végétation est plus basse que lademi hauteur de l’écoulement, les crues couchent la végétation et ramènentle coefficient de rugosité à un ordre de grandeur de 0,05 à 0,06. Les plantesen période végétative sont plus fortes et résistent mieux à l’écoulement. Enpériode morte, elles sont moins résistantes; en hiver et au printemps, lecoefficient de rugosité peut être plus faible qu’en été.

Rectitude ou sinuosité du cours d’eau : Les méandres et les courbes augmentent larésistance à l’écoulement et amènent une augmentation équivalente de larugosité. Une courbe raide offre une plus grande résistance à l’écoulementqu’une courbe longue et régulière. Pour une seule courbe, l’accroissementéquivalent est inférieur à 0,003.

Le coefficient de rugosité ”n” peut être déterminé selon quatre méthodes :

1. la méthode des facteurs;

2. les tableaux des valeurs typiques;

3. la comparaison avec des cours d’eau dont le coefficient de rugosité ”n” estconnu;

4. l’utilisation d’équations;

5. l’approche analytique en fonction de la répartition des vitesses.

3.3.2 Méthode des facteurs

Compte tenu de l’influence des différents facteurs, le coefficient de rugosité est évalué en addi-tionnant à la valeur de rugosité du lit, l’influence des autres facteurs, de la façon suivante :

[3.5]n = n0 + n1 + n2 + n3+ n4 n5

n0 = coefficient dû à la rugosité du lit

n1 = coefficient dû à l’influence des irrégularités

n2 = coefficient dû à l’influence des variations de section

n3 = coefficient dû à l’influence des obstructions

n4 = coefficient dû à l’influence de la présence de végétation

n5 = coefficient dû à la sinuosité du cours d’eau

Cette méthode est utilisable pour les petits et moyens cours d’eau, mais elle est douteuse pourles grands cours d’eau dont le rayon hydraulique est supérieur à 4.5 m (15 pieds ).

Le tableau C.1 de l’appendice C présente les valeurs des différents coefficients.

COEFFICIENT DE RUGOSITÉ 25

3.3.3 Tableaux des valeurs typiques

Les relevés de nombreux cas où les sections d’écoulement, le débit et les pentes ont été mesu-rés ont permis de construire des tableaux utilisés par les ingénieurs. Le tableau C.2 présenteune synthèse des valeurs pour les canaux en terre et les cours d’eau naturels en présence dedifférentes conditions de végétation. Le tableau C.3 présente une synthèse des valeurs recom-mandés pour les canaux dont la surface est recouverte d’un revêtement.

3.3.4 L’examen des cours d’eau et des canaux

Chow (1959), Faskin (1963) et Barnes (1967) présentent les photographies de nombreux coursd’eau, canaux en terre ou bétonnés dont le coefficient de rugosité ”n” a été mesuré. L’observa-tion de ces photographies peut donner aux débutants une bonne idée des coefficients de rugo-sité. Le document de Barnes (1967) fournit des photographies en couleurs et les donnéesdétaillées desmesures pour l’estimation des coefficients. Le document de Faskim (1963) four-nit des photographies en noir et blanc et les données détaillées des mesures pour l’estimationdes coefficients. Les documents de Faskin (1963) et Barnes (1967) sont disponibles sur le siteWEB du cours.

Les cas présentés correspondent à des coefficients de rugosité variant de 0,012 à 0,125.

3.3.5 Équations

Denombreux chercheurs ont essayé d’établir une relation entre le facteur “n” et la grosseur desparticules formant le lit des cours d’eau, tout particulièrement pour les lits composés de maté-riel granulaire. Une des formules les plus utilisée est celle de Meyer--Peter et Muller (French,1999) :

[3.6]n =d90

16

26

d90 = diamètre des particules dont 90 % sont plus petites (m)

Le NEH 654 ( ,2008) présente la formule de Strickler (Chang 1988, Chow, 1959) :

[3.7]n = 0, 0474 d5016

d50 = diamètre des particules dont 50 % sont plus petites (m)

Ces formules sont d’intérêt lorsque lematériel du lit est grossier et que la grosseur des particu-les domine par rapport aux aspérités du fond du cours d’eau.

3.3.6 Méthode analytique

Des méthodes analytiques ont été développées pour évaluer le coefficient de rugosité à partirde la distribution de vitesse dans un canal et des aspérités de son périmètremouillé. Cesmétho-des ne sont pas utilisables lors du design et leur intérêt est beaucoup plus de vérifier la validitédes lois empiriques comme celle de Manning ou les tableaux existants.


3.4 COEFFICIENT DE RUGOSITÉ DE LA VÉGÉTATION

3.4.1 Rôle de la végétation

Face à l’écoulement, la présence de végétation augmente considérablement le coefficient derugosité de Manning. Tant que la végétation n’est pas submergée, le facteur de friction peutfacilement être augmenté de dix (10) fois par rapport au sol nu (figure 3.1). La résistance detraînée des tiges est le principal facteur d’accroissement du coefficient de rugosité.

Figure 3.1 Rugosité d’un canal enherbé (”Bermuda grass” de longueur moyenne) possé-dant une pente de 5%. (adapté de Ree, 1949).

Dans les canaux enherbées, le facteur de rugosité deManning est variable et une relation a étéidentifiée avec le produit de la vitesse et du rayon hydraulique (figure 3.2) et les nombreusesexpériences de Ree (1949) ont permis de préparer une synthèse (figure 3.3). La figure 3.3 apermis de préparer des abaques de l’AnnexeD (figures 3.5 à 3.8) pour calculer directement lesvitesses en fonction des différents types de résistance à l’écoulement et la formule Manning.Les types de résistance à l’écoulement selon la végétation sont déterminés selon le tableau 3.1.

27

Figure 3.2 Variation du coefficient de rugosité en fonction du produit de la vitesse et durayon hydraulique pour un canal enherbé de type “C” (Ree, 1949).

Coefficientderugosité

Vitesse x Rayon hydraulique

Figure 3.3 Coefficient de rugosité de la végétation en fonction de différentes classes derésistance.

28

Tableau 3.1 Guide de sélection du type de résistance de la végétation (U.S. Soil ConservationService 1954).

Implantation Longueur moyenne(cm)

Type de résistance

> 90 A très élevée30--60 B élevée

Bonne 15--25 C moyenne5--15 D faible< 5 E très faible

> 90 B élevée30--60 C moyenne

Satisfaisante 15--25 D faible5--15 D faible< 5 E très faible

Les différentes courbes de la figure 3.3 peuvent être représente par des équations dont celleincluse dans la figure 3.3mais limités aux valeus de “n”< 0,2.HEC--15 (Chen et Cotton, 1998)utilise les formules simplifiées suivantes pour les types de résistance A, B, C et D :

[3.8]nA = Rh16

15, 8+ 19, 97 log(Rh1,4 S0,4 )

[3.9]nB = Rh16

23, 0+ 19, 97 log(Rh1,4 S0,4 )

[3.10]nC = Rh16

30, 2+ 19, 97 log(Rh1,4 S0,4 )

[3.11]nD = Rh16

34, 6+ 19, 97 log(Rh1,4 S0,4 )

SECTION COMPLEXE D’ÉCOULEMENT 29

3.5 SECTION COMPLEXE D’ÉCOULEMENT

L’évaluation du coefficient de rugosité ”n” et du débit d’un cours d’eau s’écoulant dans uneplaine d’inondation (Figure 3.4) est plus complexe que dans le cas d’un simple canal possédantune géométrie simple. Dans un tel cas, le cours d’eau présente plusieurs périmètres qui ont descoefficients de rugosité différents. Il suffit de mentionner que le lit de la rivière est en généralnu et que les berges sont couvertes d’une végétation plus ou moins abondante.

Figure 3.4 Section d’un cours d’eau en période d’inondation.

Laméthode la plus simple divise le cours d’eau en sections d’écoulement homogène et le débittotal est égal au débit de chacune des sections (Figure 3.4).

[3.12]Q = V1A1 + V2A2 + V3A3

[3.13]Q =A1n1

Rh123

S12 +A2n2

Rh223

S12 +A3n3

Rh323

S12

et le coefficient de rugosité moyen ”n” est :

[3.14]n =

AiRhi23

Ai

niRhi

23

Chow (1959) présente d’autres méthodes d’évaluation qui sont semblables à celle--ci.

3.6 CONCLUSION

Ce chapitre nous a permis de connaître les principales notions d’hydraulique nécessaires à lacompréhension des phénomènes hydrauliques qui existent dans les cours d’eau. Ces connais-sances alliées à celles des procédures de design et de dimensionnement des cours d’eau fourni-ront l’ossature de base pour entreprendre toute étude ou toute intervention dans les coursd’eau.

30

BIBLIOGRAPHIE

Anonyme, 1954. Handbook of Channel Design for Soil andWater Conservation. United StateDepartment of Agriculture, Soil Conservation Service. SCS--TP--61.

Chow, Ven Te, 1959. Open--Channel Hydraulics. McGraw--Hill, Toronto.

Schwab, G.O., R.K. Frevert, T.W. Edminster et K.K. Barnes, 1966. Soil andWater Conserva-tion Engineering. John Wiley and Sons, New York.

Simon, A.L., 1976. Practical Hydraulics. John Wiley and Sons, Toronto.

Ree, W.O. 1949. Hydraulic characteristics of vegetation for vegetated waterways. Agr. Eng.Vol. 30: 184--187, 189.

U.S. Soil Conservation Service. 1954. Handbook for channel design for soil and water con-servation. USDA, Soil Conservation Service. SCS--TP--61.

Fasken, G. B. 1963. Guide for selecting roughness coefficient “n” values for channels. U.S.Department. of Agriculture, Soil Conservation Service. Lincoln, NE.

Barnes, H.H. 1967. Roughness Characteristics of Natural Channels. U.S. Geological survey--supply paper 1849. United States Government printing office. Washington, DC.

Chen et Cotton, 1986.

ANNEXEA SOLUTIONDELAFORMULEDEMANNING 31

ANNEXE A SOLUTION DE LA FORMULE DE MANNING

32

ANNEXE B PROFONDEUR NORMALE D’ÉCOULEMENT

Figure B.1 Courbes de la profondeur normale d’écoulement (Manning).

0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

1000,00

0,10 1,00 10,00yb

ARh23

b83

b

y 1z z = 12

z = 6

z = 4z = 3z = 2z = 1,5

z = 1Qn

S12b83

ANNEXE C COEFFICIENT DE RUGOSITÉ 33

ANNEXE C COEFFICIENT DE RUGOSITÉ ”n”

Tableau C.1 Coefficient de rugosité ”n”: méthode des coefficients

n = n0 + n1 + n2 + n3+ n4n5

Caractéristiques Valeurs

Matériel

Terre

Roc

Gravier fin

Gravier grossier

n0

0.020

0.025

0.024

0.028

Irrégularités

Absentes

Faibles

Modérées

Importantes

n1

0.000

0.005

0.010

0.020

Variations de la section

Graduelles

Alternance occasionnelle

Alternance fréquente

n2

0.000

0.005

0.010--0.015

Obstructions

Négligeables

Faibles

Appréciables

Importantes

n3

0.000

0.010--0.015

0.020--0.030

0.040--0.060

Végétation

y* < 3--4 hauteur de végétation

y < 2 hauteur de végétation

y = 1 hauteur de végétation

y < 1/2 hauteur de végétation

n4

0.005--0.010

0.010--0.025

0.025--0.050

0.050--0.100

Degré de sinuosité Faible 1.0 -- 1.2**

Modéré 1.2 -- 1.5

Sévère > 1.5

n5

1.00

1.15

1.30

* hauteur d’écoulement

** =Longueur de méandre

Ligne droite

34

Tableau C.2 Valeurs typiques des coefficients de rugosité ”n” (Chow, 1959)

Type de cours d’eau et description Minimum Normal Maximum

A. EXCAVE OU DRAGUE

a. En terre, droit et régulier

1. Propre et récent 0.016 0.018 0.0202. Propre, après quelques crues 0.018 0.022 0.0253. En gravier, section uniforme, propre 0.022 0.025 0.0304. Avec herbes courtes, un peu de mauvaises her-bes

0.022 0.027 0.033

b. En terre, sinueux et paresseux

1. Sans végétation 0.023 0.025 0.0302. Enherbé, quelques mauvaises herbes 0.025 0.030 0.0333. Mauvaises herbes denses et plantes aquatiquesdans un canal profond

0.030 0.035 0.040

4. Lit pierreux et mauvaises herbes sur les talus 0.025 0.035 0.0405. Lit caillouteux et talus propres 0.030 0.040 0.050

c. Excavé par une ”Dragline”

1. Sans végétation 0.025 0.028 0.0332. Quelques broussailles sur les talus 0.035 0.050 0.060

d. Excavé dans le roc

1. Sans aspérité et uniforme 0.025 0.035 0.0402. Déchiqueté et irrégulier 0.035 0.040 0.050

e. Non entretenu

1. Mauvaises herbes denses, hautes eaux 0.050 0.080 0.1202. Lit propre, broussailleux sur les talus 0.040 0.050 0.0803. Idem, avec hautes eaux 0.045 0.070 0.1104. Broussailles denses, hautes eaux 0.080 0.100 0.140

B. COURS D’EAU NATURELS

B.1 Ayant moins de 30 m de large en période de crue

a. Cours d’eau dans une plaine

1. Propre, droit, sans cuvette, section pleine 0.025 0.030 0.0332. Idem, mais avec plus de pierres et de mauvaisesherbes

0.030 0.035 0.040

3. Propre sinueux, avec quelques cuvettes et ban-des de sable

0.033 0.040 0.045

4. Idem mais avec quelques pierres et mauvaisesherbes

0.035 0.045 0.050


Type de cours d’eau et description MaximumNormalMinimum

5. Idem, basses eaux, sections et pente moins effi-caces

0.040 0.048 0.055

6. Idem que (4) mais plus pierreux 0.045 0.050 0.0607. Paresseux, cuvettes profondes, mauvaises her-bes

0.050 0.070 0.080

8. Beaucoup de mauvaises herbes, cuvettes profon-des ou section inondée avec une grande partieoccupée par des broussailles ou des débris

0.075 0.100 0.150

b. Cours d’eau de montagne, sans végétation dans le cours d’eau, berges abruptes,recouvertes de broussailles et d’arbres et inondées en périodes de hautes eaux

1. Lit: graviers, cailloux et quelques grosses pierres 0.030 0.040 0.0502. Lit: cailloux et d’énormes pierres 0.040 0.050 0.070

B.2 Cours d’eau en plaine d’inondation

a. Pâturage, sans broussailles

1. Herbe courte 0.025 0.030 0.0352. Herbe longue 0.030 0.035 0.050

b. Surfaces cultivées

1. Sans culture (sol nu) 0.020 0.030 0.0402. Culture sarclée mature 0.025 0.035 0.0453. Culture de plein champ, mature 0.030 0.040 0.050

c. Broussailles

1. Broussailles éparses et grandes mauvaises her-bes

0.035 0.050 0.070

2. Un peu de broussailles, arbres, en saison morte 0.035 0.050 0.0603. Idem, mais en été 0.040 0.060 0.0804. Broussailles de moyennes à denses, en saisonmorte

0.045 0.070 0.110

5. Idem, mais en été 0.070 0.100 0.160

d. Arbres

1. Saules denses, cours d’eau droit, en été 0.110 0.150 0.2002. Sol déboisé, souches d’arbres sans repousses 0.030 0.040 0.0503. Idem, mais avec une forte croissance de repous-ses

0.050 0.060 0.080

4. Grands arbres, quelques arbres renversés, sous--bois clairsemé, niveau de l’eau sous les branches

0.080 0.100 0.120

5. Idem, mais où le niveau d’eau atteint les branches 0.100 0.120 0.160

36

Tableau C.3. Coefficients de rugosité “n” pour des canaux recouverts -- faible gradienthydraulique (<10%) (Chen et Cotton, 1986).

Catégorie Type de recouvrement Gamme de profondeurs d’écoulement

0--0,15 m 0,15 -- 0,6 m > 0,6 m

Rigide Béton 0,015 0,013 0,013

Roche bétonnée 0,040 0,030 0,028

Maçonnerie 0,042 0,032 0,030

sol--ciment 0,025 0,022 0,020

Asphalte 0,018 0,016 0,016

Non recouvert Sol nu 0,023 0,020 0,020

Roc excavé 0,045 0,035 0,025

Temporaire Papier tissé 0,016 0,015 0,015

Jute 0,028 0,022 0,019

Paille avec filet 0,065 0,033 0,025

Matelas de fibres debois

0,066 0,035 0,028

Fibres de verre 0,028 0,021 0,019

Matelas de fibres de verre 0,036 0,025 0,021

Garviers D50 25 mm 0,044 0,033 0,030

D50 50 mm 0,066 0,041 0,034

Enrochement D50 150 mm 0,104 0,069 0,035

D50 300 mm -- 0,078 0,040


ANNEXE D VITESSES D’ÉCOULEMENT EN PRÉSENCE D’HERBES

Figure 3.5 Détermination de la vitesse d’écoulement dans un canal enherbé de type ”A”(adapté au SI à partir du U.S. Soil Conservation Service, 1954).

Rayon hydraulique (m)

Vitesse(m/s)

38

Figure 3.6 Détermination de la vitesse d’écoulement dans un canal enherbé de type ”B”(adapté au SI à partir du U.S. Soil Conservation Service, 1954).


Vitesse(m/s)

39

Figure 3.7 Détermination de la vitesse d’écoulement dans un canal enherbé de type ”C”(adapté au SI à partir du U.S. Soil Conservation Service, 1954).


Vitesse(m/s)

40

Figure 3.8 Détermination de la vitesse d’écoulement dans un canal enherbé de type ”D”(adapté au SI à partir du U.S. Soil Conservation Service, 1954).


Vitesse(m/s)

41


3.1 Déterminez le débit que peut transporter un canal trapézoïdal possédant une base de2 m, une profondeur de 1 m et des talus de pente 1,5:1. La pente du cours d’eau est de0.15% et et le coefficient de rugosité est de 0,022.

3.2 Déterminez la vitesse de l’écoulement de l’eau et le débit dans le canal de la question1.1 du chapitre 1. La pente du canal est de 0.1% et le coefficient de rugosité est de 0,018

3.3 Déterminez la vitesse de l’écoulement de l’eau et le débit dans le canal de la question1.2. La pente du canal est de 0.4% et le coefficient de rugosité est de 0,025.

3.4 Estimez le coefficient de rugosité (Manning) d’un cours d’eau droit, propre et dont lefond est en limon argileux.

3.5 Estimez le coefficient de rugosité (Manning) d’un cours d’eau légèrement sinueux dontle fond est recouvert de cailloux d’environ 10 cm de diamètre.

3.6 Estimez le coefficient de rugosité (Manning) d’un cours d’eau de la question 3.1 si lasection du canal est occupé par des quenouilles de 90 cm de hauteur. Déterminez lavitesse de l’écoulement de l’eau et le débit que peut transporter le canal dans ces condi-tions.

3.7 Estimez la profondeur normale d’écoulement lorsque le canal de la question 3.1 trans-porte 0,8 m3/s.

3.8 Estimez le coefficient de rugosité (Manning) d’un cours d’eau de la question 3.1 si lestalus sont occupés par des saules d’environ 90 cm de hauteur. Déterminez la vitesse del’écoulement de l’eau et le débit que peut transporter le canal dans ces conditions.

3.9 Quel serait la vitesse de l’eau dans une voie d’eau enherbé en alpiste roseau très luxuriant(hauteur 90 cm) et de section trapézoïdale (base de 3 m, pente des talus de 4:1) s’il ycoule 30 cm d’eau. La pente de la voie d’eau est de 3 %. Quel serait alors le débit?

3.10 Quel serait la vitesse de l’eau dans la voie d’eau du problème précédent si l’alpisteroseau était fauché? Quel serait alors la capacité?

3.11 Quel serait la profondeur d’écoulement si le débit du problème 3.9 était transporté alorsque l’alpiste roseau serait fauché?

42

3.12 Déterminez le débit que transporte le cours d’eau suivant coulant dans une plained’inondation.

4 m

8 m

3 m2 m

30 m

4

11

4

Type de sol : loam sableux.

Canal principal : en terre, présence de quelques cailloux au fond, pente des talus 1:1

Berme / plaine d’inondation : enherbées, mais l’herbe est fauchée (longueur 10 cm).

Pente du cours d’eau : 0.0001.

3.13 Déterminez le débit que transporte le cours d’eau de la question précédente en en fonc-tion de la hauteur d’eau dans le cours d’eau. Vous pouvez procéder par des pas de 20 cmde hauteur. Effectuez les calculs en considérant un coefficient de rugosité “n” constantpour la berme en utilisant les tables de coefficients.

3.14 Pour le problème de la question 3.13, effectuez les calculs en considérant un coefficientde rugosité “n” variable selon la profondeur d’écoulement et la classe de végétation.

3.15 Est--ce que la capacité du cours d’eau serait considérablement changée si la plained’inondation était occupé par dumil (fléole des prés) (graminée de 70 à 90 cmdehauteurà sa maturité.

CHAPITRE 4Vie et stabilité des cours d’eau

4.1 INTRODUCTION

Avant d’entreprendre toute action dans un cours d’eau, il est nécessaire de connaître les princi-pes qui régissent sa vie, soit sa stabilité ou son érosion. Ce chapitre traite de :

1. la stabilité des cours d’eau en fonction de l’écoulement;

2. la stabilité des talus;

3. la détérioration par les glaces;

4. l’ensablement, l’envasement et la croissance de la végétation;

5. l’érosion dans les courbes.

4.2 STABILITÉ DES COURS D’EAU ET ÉCOULEMENT

4.2.1 Principes de base

La stabilité ou l’érosion d’un cours d’eau est un problème complexe qui dépend non seulementdu type de matériel qui compose le lit du cours d’eau et de ses vitesses d’écoulement, maisaussi de la granulométrie des particules de sol dans le lit, la présence ou l’absence de cohésiondans le sol, la présence ou l’absence de végétation, l’âge du cours d’eau ou du canal, la profon-deur d’écoulement, la présence ou l’absence de matériel charrié par l’eau.

De façon schématique, un cours d’eau s’érode lorsque les forces d’arrachement provoquéespar l’écoulement sont plus grandes que les forces de résistance des particules de sol ou des

44 VIE ET STABILITÉ DES COURS D’EAU

agrégats qui forment le périmètre mouillé. Les forces d’arrachement sont le résultat des forcesde cisaillement provoquées par le gradient de vitesse de l’écoulement au contact de la paroi :

[4.1]τ = − dVdy

τ = taux de cisaillement (M/L T2 ou F/L2)

µ = viscosité dynamique du fluide (M/L T)

Le gradient de vitesse dV/dy comme le montre la figure 4.1 est très élevée au contact de laparoi. Dépendamment de la forme du canal ou du cours d’eau (figure 4.2), la concentration descourbes d’égale vitesse montre des gradients plus élevés en certains points du canal. Plus lecanal est étroit et plus les talus ou les parois font face à un gradient de vitesse élevé par rapport àcelui du fond.Dans le cas du canal rectangulaire étroit (figure 4.2d), les talus auront tendance às’éroder plus facilement que le fond et le matériel érodé aura tendance à se déposer au fond ducanal car les vitesses et le gradient de vitesse sont plus faibles.

Figure 4.1 Répartition des vitesses au--dessus d’une surface régulière.

Il existe plusieursméthodes pour évaluer les limites où le processus d’arrachement est suscep-tible de s’amorcer :

1. Méthode des vitesses maximales

2. Méthode des forces d’arrachement

En se basant sur les principes énoncés précédemment où la force d’arrachement est fonction dugradient de vitesse, il est facile de voir que, pour des conditions normales de section, cette forced’arrachement sera fonction de la vitessemoyenne dans le cours d’eau. En effet, plus la vitesse

STABILITÉ DES COURS D’EAU ET ÉCOULEMENT 45

Figure 4.2 Lignes d’égale vitesse dans différents types de sections d’écoulement(Chow, 1959).

a) canal trapézoïdalb) canal triangulaire

c) canal semi--circulaire

d) canal rectangulaire étroite) cours d’eau naturel

moyenne est grande, plus le gradient est normalement grand. Cette méthode considère qu’il yaura érosion du cours d’eau lorsque la vitesse d’écoulement dépasse la vitesse maximale tolé-rable.

La méthode de la force d’arrachement considère qu’il y aura érosion du cours d’eau lorsque laforce d’arrachement provoquée par l’écoulement dépasse la résistance du sol ou du matérielconstituant l’interface avec l’écoulement.

Lorsque la vitesse dépasse la vitesse maximale ou que les forces d’arrachement dépassent lesforces de résistance, le fond du cours d’eau s’érode, le cours d’eau s’approfondie et nous parlosde régression de fond.

4.2.2 La pente de compensation

Lapente de compensation (Llamas, 1978) se définit comme la pente du cours d’eau où la quan-tité de matériel déposé correspond à celle érodée; c’est--à--dire que la section du cours d’eau aun gain nul de sédiments. Cette perte correspond à la stabilité et elle est fonction du débitmoyen du cours d’eau et de la quantité de sédiments transportés.

Cette méthode arrive simplement à nous dire que si nous avons peu d’influence sur la pente ducours d’eau (pente du terrain) et sur le débit moyen, le seul facteur que nous pouvons influen-cer est la charge de sédiments. Cette dernière provient de l’érosion des talus du cours d’eau oude l’érosion des sols environnants, qui est influencée par la régie des sols et des cultures.


4.3 STABILITÉ DES TALUS

4.3.1 Pente des talus

La stabilité ou l’instabilité d’un talus est influencée par :

1. La résistance mécanique du sol

2. La résistance aux forces d’arrachement de l’écoulement

3. Le suintement des parois

4. Les glaces

4.3.2 Résistance mécanique des sols

En terme de mécanique des sols, un talus est stable lorsque les forces de cisaillement ou defriction à l’intérieur du sol dans le plan de rupture sont plus grandes que la composante gravita-tionnelle de la masse de sol au--dessus de ce plan.

Les différentes situations limites peuvent être schématisées en deux catégories. La première(figure 4.3a) représente les sols pulvérulents (sans cohésion) où les particules de sol roulent surle talus lorsque la pente est plus grande que l’angle de repos dumatériel (la force de friction estinsuffisante). En général, cet angle se situe entre 30° et 37°.

Pour les sols cohésifs, la cohésion offre une résistance additionnelle à la friction. Le sol estretenu en unemasse et son effondrement survient suite à unmouvement de cette masse (figure4.3b et 4.3c). Le premier cas (figure 4.3b) a son origine dans une pente trop forte, alors que lesecond (figure 4.3c) est causé beaucoup plus par la profondeur du cours d’eau que par la pentedu talus. La rupture se produit selon le plan de la plus faible résistance.

Dans les argiles à forte porosité comme celles de la Plaine du St--Laurent, la teneur en eau desaturation correspond à un état de plasticité élevée et à une faible résistance au cisaillement. Engénéral, les argiles de la plaine de Montréal ont, selon des essais effectués par J.P. Morin del’Université de Sherbrooke et par nous, des résistances au cisaillement très faibles à partir deprofondeur de 2 à 3 m. Cette situation accentue les possibilités du cas de la figure 4.3c si nousexcavons à des profondeurs supérieures à 2 ou 3 mètres.

Le calcul de la stabilité des talus dans de telles argiles s’effectue par lesméthodes classiques derupture des talus par cisaillement.

STABILITÉ DES TALUS 47

Figure 4.3 Effondrement des talus lorsque la stabilité mécanique n’est plus respectée.

a) sol pulvérulent

b) sols cohésifs -- glissement ou rupture en coin

c) sols cohésifs -- rupture profonde selon le cercle de rupture

4.3.3 Dégradation des pieds de talus

Dans les cours d’eau où la vitesse d’écoulement provoque des forces d’arrachement supérieu-res aux forces de cohésion et de friction du sol dans le pied du talus, ce dernier va s’érodercomme présenté à la figure 4.4.

Comme le haut du talus offre en général une plus grande résistance à cause du type de sol ou del’armature racinaire, le haut du talus peut se retrouver momentanément suspendu au--dessusdu cours d’eau et il va se rupturer un jour ou l’autre. Le talus développe une verticalité qui n’estpas stable mécaniquement et il va se dégradé par la suite selon le mode présenté à la sectionprécédente. Les racines des arbres aident généralement à la stabilisation des talus grâce au rôled’armature qu’elles jouent. Si des arbres avec un faible enracinement se trouvent sur le haut dutalus comme dans les situations de rupture de la figure 4.4, les arbres peuvent accentuer les


problèmes de rupture à cause de leur poids additionnel et le moment qu’ils peuvent créer parleur inclinaison.

Figure 4.4 Processus d’érosion du pied de talus et de sa rupture (adapté de Escarameia,1998).

4.3.4 Suintement des parois

Lorsqu’une nappe suinte sur les parois d’un cours d’eau, les vitesses de filtration peuvent êtresuffisamment grandes pour provoquer le phénomène de boulance (figure 4.5). Alors le coursd’eau se dégrade selon le schéma de Hunter (1976) (figure 4.6). .

Figure 4.5 Phénomène de boulance du au suintement.

Ce phénomène se produit surtout dans les sables fins ou les limons. L’angle de stabilité du taluspour de telles conditions est lamoitié de l’angle de repos dumatériel. Lemoyen de contrôler cephénomène est de donner aux talus une pente suffisamment faible pour empêcher le phéno-mène de boulance ou d’installer un drain parallèle au cours d’eau qui intercepte cette nappe. Ladeuxième solution est plus sûre que la première car elle est souvent très difficile à définir.

STABILITÉ DES TALUS 49

Figure 4.6 Schéma de l’ensablement d’un cours d’eau à l’effondrement d’un talus parsuintement (Hunter, 1976).

4.3.5 Détérioration par les glaces

En hiver, une partie du talus gèle avec la lame de glace de la surface du cours d’eau pour formerun bloc monolithique. Lorsque le niveau d’eau baisse ou s’élève (figure 4.7) le morceau deglace se rompt et déplace une partie du talus avec lui. Moins le sol est cohésif, plus ce phéno-mène pourra être important. Unmoyen deminimiser ce phénomène est de construire les coursd’eau les plus larges possibles avec une pente des talus la plus faible possible.


Figure 4.7 Détérioration d’un cours d’eau par les glaces.

4.4 L’ENVASEMENT ET L’ENSABLEMENT

L’envasement, l’ensablement ou la croissance excessive de la végétation dans un cours d’eausurviennent lorsque les vitesses d’écoulement sont trop faibles pour provoquer le transport dessédiments et empêcher la végétation de croître ou encore lorsque la pente des cours d’eau estplus faible que la pente de compensation.

En général, les sédiments déposés proviennent de trois sources :

1. de l’effondrement des talus;

2. de la charge de sédiments que l’écoulement en amont charrie;

3. de l’érosion des terrains riverains.

Les deux premières causes peuvent être corrigées à l’origine du problème par la création dutalus stables et l’aménagement d’un cours d’eau stable à l’amont. Quant à la dernière, elle estdifficile à corriger.

Nous pouvons minimiser le problème en créant des conditions favorables au transport dessédiments qui pourraient se déposer mais en sachant que nous ne faisons que de déplacer leproblème vers l’aval. Autrement, il faut accepter l’envasement et considérer le curage réguliercomme la solution.

Pour qu’il n’y ait pas de dépôts dans les canaux, il faut, selon Poiré et Olier (1978) que lavitesse moyenne ne descende pas au dessous de 0,20 m/s lorsque le limon est très fin et 0,40m/s lorsque le limon est très sableux. Avec des eaux claires, une vitesse de 0,5m/s à 0,9m/s est

LES COURBES 51

suffisante pour éviter les dépôts et assez fortes pour empêcher la pousse des herbes qui peuventencombrer le lit et gêner l’écoulement. Schwab et al. (1966) considèrent que les vitessesmini-males sont plutôt imprécises et que les vitesses de 0,6 à 0,9 m/s sont généralement suffisantespour prévenir la sédimentation. Demême, une vitesse de 0,75m/s serait suffisante pour préve-nir la croissance de la végétation.

Quant à la végétation, une croissance contrôlée est bienvenue sur les talus car elle les protègede l’érosion. Celle qui pousse dans le fond des cours d’eau est de type aquatique (joncs, que-nouilles, etc.) et obstrue considérablement l’écoulement.

4.5 LES COURBES

Dans une courbe, le courant d’eau vient frapper le talus et concentre les grandes vitessesd’écoulement près de la paroi. Ceci provoque une augmentation des forces d’arrachement surla paroi. Dans les courbes, lorsque l’écoulement rencontre un talus, il est dévié vers le talusopposé (figure 4.8). Lorsque les vitesses sont suffisamment élevées pour provoquer l’érosiondes points faibles, le phénomène de ”méandrisation” s’amorce. Le patron d’écoulement dans

Figure 4.8 Écoulement dans une courbe et érosion du talus.

une courbe est différent de celui dans un tronçon droit. La figure 4.9 présente quelques pointsimportants qui peuvent être observés dans dans un cours avec méandres :

le talweg (ligne de profondeur maximale) se retrouve proche de la partie extérieure dela courbe saute d’un côté à l’autre du cours d’eau;


des dépôts de sédiments se forme dans la partie intérieure de la courbe;

les plus grandes vitesses d’écoulement se situent généralement près de la ligne de talweg.

le point d’inflexion est localisé au point où la la ligne de talweg traverse la ligne du centredu cours d’eau.

Figure 4.9 Exemple de canal avec méandres (Escarameia, 1998).

La figure 4.10 présente la répartition des vitesses d’écoulement dans une section située aupoint d’inflexion et au sommet de la courbe. Dans le cas du sommet de la courbe, les vitessessont très élevées au pied du talus et favorisent son érosion.

Figure 4.10 Répartition des vitesses d’écoulement dans une section située au point d’in-flexion et au sommet de la courbe. Les vitesses sont présentées sous forme durapport de la vitesse par rapport à la vitesse maximale (adapté de Bathurst,1979).

a) point d’inflexion

b) au sommet de la courbe

CONCLUSION 53

4.6 CONCLUSION

C chapitre démontre que la stabilité d’un cours d’eau (section et talus) n’est pas un phénomènesimple à décrire. La stabilité générale d’un cours d’eau est fonction de la vitesse d’écoulementou de la force d’arrachement, ou de la pente de compensation alors que celle des talus est fonc-tion de la stabilitémécanique du sol, de la résistance aux forces d’arrachement, de la résistanceau suintement et à la glace. De façon générale, nous pouvons dire que plus un cours d’eau estlarge par rapport à sa profondeur, et que plus la pente des talus est faible, plus il est stable.

La connaissance et l’expérience des phénomènes reliés à la vie et à la dégradation des coursd’eau devraient nous aider à aménager des cours d’eau plus stables.


BIBLIOGRAPHIE

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Chow, Ven te, 1959. Open--channel hydraulics. McGraw--Hill, Toronto.

Escarameia,M. 1998. River and channel revetments -- A designmanual. Thomas Telford Pub-lications, London, Great Britain.

Hunter, R.D., 1976. Stabilisation of drainage channels. De: Proceeding of the drainage engi-neers conference. Eng. Tech. Pub. 126--35, School of Engineering, University ofGuelph.

Llamas, J., 1978. L’aménagement rationel des cours d’eau en fonction de leur régime. De:Hudrologie des cours d’eau agricole, 6e Colloque de Génie rural : 117--139

Poiré, M. et C. Olier, 1978. Assainissement agricole. Eyrolles, Paris.

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Schwab, G.O., R.K. Frevert, T.W. Edminster et K.K. Barnes, 1966. Soil and water conserva-tion engineering. John Wiley and Sons, New--York

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CHAPITRE 5Géomorphologie des cours d’eau

5.1 INTRODUCTION

La géomorphologie est une discipline de la géographie physique et des géosciences qui décritles formes de la surface de la terre (relief) et explique leur formation et leur évolution sousl’effet de la tectonique et de l’érosion.

La géomorphologie des cours d’eau étudie la formation et l’évolution des cours d’eau dans uncontexte naturel ou modifié par l’homme et la nature (climat, crues, etc.).

Les cours d’eau coulent au travers du paysage, grandissent en taille, se joignent à d’autrescours d’eau. Le réseau de cours d’eau forme ce qui est appelé le réseau de drainage et il adoptedifférentes formes qui sont influencées par le relief et la géologie du sous--sol. Les cours d’eautransportent l’eau et les sédiments dans un processus dynamique qui façonne leur lit.

Les ingénieurs se sont surtout intéressés à intervenir dans les cours d’eau pour répondre à desimpératifs de développement (irrigation, drainage), de protection (protection contre les inon-dations, protection des propriétés) ou d’intervention contre la dégradation des berges avec desapproches principalement hydrauliques. La géomorphologie peut aider l’ingénieur à analyserles cours d’eau et identifier des solutions.

56 GÉOMORPHOLOGIE DES COURS D’EAU

5.2 CARACTÉRISTIQUES MORPHOLOGIQUES

Cette section présente les principales caractéristiques morphologiques des cours d’eau. Cettesection détaille principalement les caractéristiques qui n’ont pas été présentées au chapitre 1.

5.2.1 Densité de drainage

La densité de drainage a été définie par R.E. Horton en 1932 afin de décrire le degré de déve-loppement d’un réseau hydrographique :

[5.1]Dd =Li

A

Dd = densité de drainage

Li = longueur de chacun des tronçons (m)

A = superficie du bassin versant (m2)

La longueur totale de cours d’eau représente la somme des longueurs des cours d’eau de tousles ordres du réseau hydrographique.

La densité de drainage est un indice de l’intensité du réseau de drainage. Les bassins versantsagricoles ont en général des densités de drainage plus élevées que les bassins versants naturels.

5.2.2 Largeur et profondeur

La largeur et la profondeur du cours d’eau sont des caractéristiques très étudiées en géomor-phologie des cours d’eau. Des relations empiriques ont souvent été développées sur une baserégionale en fonction du débit plein bord. Elles sont représentées par les formes suivantes :

[5.2]w= a Qcb

[5.3]d = e Qf

b

[5.4]w= k Dmx

Qb = débit plein bord

w = largeur du cours d’eau

d = profondeur du cours d’eau

Dx = Diamètre caractéristique du matériel du lit du cours d’eau

a, c, e, f, k, m = constantes

CARACTÉRISTIQUES MORPHOLOGIQUES 57

5.2.3 Caractéristiques du lit

Une des principales caractéristiques du lit d’un cours est la grosseur du matériel constituant lelit ou les talus du cours d’eau. Le matériel est souvent décrit par la composition des consti-tuants suivants (Fangmeier et al., 2006) :

argile/limon (clay/silt) (0 -- 0,062 mm)

sables (sand) (0,062 -- 0,13 mm), (0,13 -- 0,25 mm), (0,25-- 0,5 mm),(0,5 -- 1,0 mm), (1 -- 2 mm)

graviers (gravel) (2 -- 4 mm), (4 -- 6 mm), (6 -- 8 mm), (8 -- 11 mm),(11 -- 16mm), (16 -- 22mm), (22 -- 32mm), (32 -- 45mm),(45 -- 64 mm)

Cailloux (cobble) (64 -- 90 mm), (90 -- 128 mm), (128 -- 180 mm),(180 -- 254 mm)

Gros cailloux et blocs (boulder) (254 -- 362 mm), (362 -- 512 mm),(512-- 1024 mm), (1024 -- 2048 mm)

roc (bedrock)

5.2.4 Méandres et sinuosité

Les méandres (figure 5.1) peuvent être décrits par les caractéristiques suivantes :

λ = longueur d’onde du méandre

a = l’amplitude

r = rayon de courbure

w = largeur du lit

Figure 5.1 Éléments morphologique d’un méandre (Bravard et Petit, 2000).

Le rapport de méandre est :

[5.5]Rm = aw


La sinuosité ou l’indice de sinuosité (Is) qui est le rapport de la longueur du talweg sur la lon-gueur d’onde permet de caractériser la sinuosité des cours d’eau :

Is < 1,05 : cours d’eau rectiligne

1,05 < Is < 1,5 : cours d’eau sinueux

Is > 1,05 : cours d’eau à méandres

5.3 DÉBIT PLEIN BORD

En géomorphologie, le débit plein bord (bankfull discharge) est le débit caractéristique le plusutilisé. Il correspond au débit que peut supporter le lit mineur d’un cours d’eau avant quecelui--ci déborde dans la plaine d’inondation. Il est difficile à déterminer dans les valléesencastrées où la plaine d’inondation est peu existante.

Il varie d’un cours d’eau à l’autre en fonction des caractéristiques du cours d’eau, de la compo-sition du lit, des caractéristiques du bassin versant et caractéristiques hydroclimatiques.

Le débit plein bord correspond à des débits ayant une récurrence de 1 à 5 ans et avec desmoyennes de 1,5 à 2 ans selon les études. C’est pourquoi les débits de récurrence de deux anssont souvent utilisés comme les débits plein bord.

Le débit plein bord est associé au débit dominant (dominant discharge) ou débit effectif (effec-tive discharge) responsable du développement et du maintien des dimensions de la section ducours d’eau.

5.4 PUISSANCE

La puissance d’un cours d’eau (stream power) est une caractéristique géomorphologique descours d’eau qui a été beaucoup étudiée. La puissance d’un cours d’eau est la quantité d’énergieque possède l’écoulement pour transporter sa charge sédimentaire et qui doit être absorbée parfriction. Si l’énergie est non suffisante pour transporter la charge sédimentaire, les sédimentsse déposeront au fond du cours d’eau. Si l’énergie ne peut être absorbée par friction, le fond ducours d’eau et/ou le talus seront érodés par l’écoulement.

La puissance peut être définie comme la puissance brute (Ω) :

[5.6]Ω = g Qb S

Ω = puissance (kg m s--2) (W m--1)

ρ = masse spécifique de l’eau (1000 kg m3)

g = accélération gravitationnelle (9,8 m s--2)

Qb = débit plein bord (m3 s--1)

S = pente du cours d’eau (m m--1)

CLASSIFICATION DES COURS D’EAU 59

ou la puissance spécifique (unit stream power) :

[5.7]ω = Ωw =

g Qb Sw

ω = puissance spécifique (W m--2)

w = largeur du cours d’eau (m)

Brooke (1988) a étudié la puissance spécifique de plusieurs cours d’eau qui ont été redressésauDanemark dans des sols alluvionnaires et il a constaté que les cours d’eau tendent à seméan-driser à nouveau lorsque la puissance spécifique dépasse 35 W/m--2. Brooke (1990) a résuméses observations comme suit :

ω > 100 W/m--2 cours d’eau se tressant activement

35 W/m--2 < ω < 100 W/m--2 cours d’eau se méandriasant activement

5 W/m--2 < ω < 35 W/m--2 cours d’eau stable

ω < 8 W/m--2 cours d’eau avec sédimentation

Ferguson (1981) a établit une classification des méandres suivant leur activité et la puissancedu cours d’eau. Les méandres libres se rencontrent en général dans les cours d’eau dévelop-pant des puissances spécifiques de 10 à 100W/m--2. Les méandres actifs non confinés requiè-rent des puissances spécifiques supérieures à 30 W/m--2 et les méandres libres inactifs se ren-contrent lorsque les puissances spécifiques sont inférieures à 15W/m--2. Un méandre confinéest un méandre qui ne peut se développer librement à cause de l’étroitesse de la vallée.

5.5 CLASSIFICATION DES COURS D’EAU

Il existe une grande variété de types de cours d’eau, des cours d’eau rapides desmontagnes auxcours d’eau de faible pente dans les plaines. Différents systèmes de classification ont été déve-loppés pour permettre la classification cours d’eau et faciliter les comparaisons entre eux.Deux systèmes de classification sont présentés.

5.5.1 Classification en quatre types

Leopold et Wolman (1957) ont proposé une classification des cours d’eau en trois types àlaquelle un quatrième type (anastomosé) a été ajoutée par Schumm (1968) (figure 5.2) :

lits rectilignes dont l’indice de sinuosité est inférieur à 1,05;

lits à méandres;

lits à chenaux tressés qui sont caractérisé par des bancs d’alluvions non végétalisés,une charge de fond abondant ou une bonne disponibilité de sédiments, l’érodibiltédes berges et une grande variabilité des débits;

lits anastomosés qui sont caractérisés par des cours d’eau à chenaux multiples maisstables, chenaux sinueux à faible pente (0,0001) dont le lits est composé de maté-riaux fins et cohésifs.


Figure 5.2 Classification développée par Loepold et Wolman (1957) et Schumm(1968) (adapté de Bravard et Petit, 2000).

5.5.2 Classification de Rosgen

La figure 5.3 présente une modification de la classification de Rosgen (1996) qui classifie lescours d’eau en huit types. L’avantage de cette classification est de classifier les cours d’eauselon des paramètres quantifiables :

W/D = rapport largeur sur la profondeur pour l’écoulement plein bord

ER = rapport entre la largeur de la plaine d’inondation sur la largeurplein bord.

La largeur de la plaine d’inondation est défini comme la largeur du cours d’eau lorsque sa pro-fondeur d’écoulement est deux fois la profondeur d’écoulement pour le débit plein bord.

Les huit types sont définis en trois classes :

Étroits et profonds (W/D < 12)

cours en ravin (entrenched) -- G : Cours d’eau dans des ravins qui ont des problèmes destabilité de la pente, des problèmes d’érosion du lit et des talus. Ces cours d’eaun’ont aucune plaine d’inondation et ont généralement des pentes supérieure à 4%.

modérément encastré (moderately entrenched) -- A : se différentient des précédents desprécédents avec une faible plaine d’inondation. Ils se rencontrent dans les régionsmontagneuses dans des vallées avec des pentes fortes. Le lit est souvent du roc oucomposé de blocs ou gros cailloux car le matériel fin a été emporté.

CLASSIFICATION DES COURS D’EAU 61

Figure 5.3 Classification dérivée de la classification de Rosgen (Fangmeier et al., 2006).

non encastré (not entrenched) -- E : se retrouvent dans les vallées constituées d’allu-vions, sont très sinueux et stables et ont des rapports de méandre aussi grand que20 à 40.

Larges et peu profonds (W/D > 12)

encastré (entrenched) -- F : cours d’eau instable où le processus dominant est l’érosiondes berges et se différentient des cours d’eau de type G où le lit s’érode et s’appro-fondit.

modérément encastré (moderately entrenched) -- B : cours d’eau dans des vallées étroi-tes avec des rapides et des fosses et la présence de blocs et gros cailloux

non encastré (not entrenched) -- C cours d’eau dans des vallées de dépôts alluvionnaires,avec des pentes inférieures à 2 % et une plaine d’inondation bien développée.

En tresse (braided) - D et DA

Cours d’eau tressés qui montrent des canaux multiples et se rencontrent dans les deltas et lesterres humides .


5.6 ÉVOLUTION

L’un des intérêts de la géomorphologie et la classification des cours d’eau est de prédire leurstabilité et leur évolution comme le montre la figure 5.4.

Figure 5.4Classification des types de cours et de leur stabilité en fonction de diffé-rents paramètres (Bravard et Petit, 2000).

BIBLIOGRAPHIE 63

BIBLIOGRAPHIE

Bravard, J.P. et F. Petit, 2000. Les cours d’eau -- Dynamique du système fluvial.ArmandColin,Paris.

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Schumm, S. A., 1968.



5.1. Décrivez la section plein bord du tronçon du cours d’eau que vous avez relevé cetautomne et estimez le débit plein bord.

5.2. Estimez la puissance et la puissance spécifique pour le débit plein bord du tronçon ducours d’eau que vous avez relevé cet automne.

5.3. Classez le tronçon du cours d’eau que vous avez relevé cet automne selon chacun desdeux systèmes de classification présentés.

5.4. Estimez le débit plein bord du cours d’eau du problème 3.12.

5.5. Estimez la puissance du cours d’eau du problème précédent.

5.6. Estimez la puissance spécifique du cours d’eau du problème précédent.

CHAPITRE 6Section stable

6.1 INTRODUCTION

Le but d’un cours d’eau est d’évacuer les eaux de ruissellement provenant des fossés, voiesd’eau et de celles provenant du drainage souterrain et des nappes souterraines (sources). Cechapitre présente l’approche la plus ancienne et la plus utilisée de design lors d’interventiondans les canaux et les cours d’eau, laméthode de la section stable appelée en anglais “thresholdchannel”.

6.1.1 Principes de base

Lors de tout projet d’amélioration (augmenter sa capacité ou corriger des problèmes de dégra-dation) de cours d’eau, l’étude et le design doivent être effectués en respectant les principessuivants :

1. La sectiondu cours d’eaudoit être suffisante pour évacuer l’eau sans provoquer d’inonda-tion ou de dégâts importants.

2. Tout aménagement ne devra pas provoquer d’érosion dans le cours d’eau ou sur lesbergescar cette érosion signifie la modification de la section d’écoulement, la perte de terrainriverain, le transport de sédiments, l’ensablement et l’envasement de la partie en aval ducours d’eau.

3. Les talus du cours d’eau et la section d’écoulement devront être les plus stables possiblespour que le cours d’eau ait la durée de vie la plus longue.

4. Les coûts de construction et d’entretien devront être minimisés ou le rapport bénéfices--coûts devra être maximisé. Ce dernier est plutôt difficile à évaluer.

SECTION STABLE66

6.1.2 Possibilités d’intervention

Pour augmenter la capacité d’un cours d’eau, l’ingénieur peut envisager différentes possibili-tés :

1. Nettoyage des berges : Le nettoyage des broussailles diminue considérablement le coef-ficient de rugosité et augmente la vitesse dans la même proportion. Cette mesure est àenvisager lorsque l’on permet au cours d’eau de déborder dans la plaine. Dans certainscas, cette mesure est suffisante sans avoir à modifier la section du cours d’eau.

2. Curage du fonddu coursd’eau : L’enlèvement des sédiments accumulés restaure la sec-tion d’écoulement et l’enlèvement de la végétation diminue le coefficient de rugosité.

3. Calibrage du cours d’eau : Le calibrage d’un cours d’eau consiste à lui donner une nou-velle section pour répondre à de nouveaux besoins en débits d’eaux de ruissellement ouen évacuation des eaux de drainage souterrain. Les sections trapézoïdales sont en généralles plus populaires lors de la réfection des cours d’eau.

4. Redressement du cours d’eau : Un cours d’eau sinueux ralentit l’écoulement. Leredressement consiste à couper les méandres, ce qui contribue à augmenter la vitessed’écoulement (pente plus grande).

Les deux dernières solutions ne sont pas considérées comme très environnementales et sonttrès questionnées.

6.2 SECTION DU COURS D’EAU

Dans une plaine, le souhait des riverains est que tout le débit doit s’écouler dans la sectionprin-cipale d’écoulement. Lorsqu’un cours d’eau s’écoule dans unevallée, la superficie inondée estgénéralement faible et il n’est pas justifié économiquement d’obliger toute l’eau à s’écoulerdans la section principale (lit mineur). Dans ce cas, il est raisonnable de considérer qu’une par-tie des berges soient inondées et que cette bande de terrain ne soit jamais labourée pour la ren-dre résistante à l’érosion. Alors, la section du cours d’eau doit être suffisante pour évacuer lesdébits moyens.

6.2.1 Profondeur minimale des cours d’eau

La profondeur minimale dépend du rôle du cours d’eau. Lorsque ce dernier sert à évacuer uni-quement les eaux de ruissellement, il doit être suffisamment profond pour évacuer les eaux desfossés. Une profondeur minimale de 1.0 m est en général suffisante pour répondre à ce rôle.

Lorsqu’il évacue aussi les eaux de drainage souterrain, une profondeur de 1.3m à 1.5m est unminimum dans les régions de pente nulle. Dans les régions où la pente est régulière et que lessorties de drain ne sont pas un problème, une profondeur minimale de 1.20 m est acceptable.Une profondeur de 30 cm sous le niveau des sorties des drains est généralement considéréecomme acceptable.

6.2.2 Revanche

La revanche est la hauteur libre entre le niveau d’eau et le niveau du sol riverain. Cette revan-che est un facteur de sécurité et elle veut compenser l’envasement pendant la vie du coursd’eau (entre chaque curage).

67SECTION STABLE

Une revue de littérature montre qu’il existe plusieurs méthodes de déterminer cette revanche.En général, elle varie de 5 à 30% de la valeur de la profondeur d’écoulement. Au Québec, unerevanche de 20% de la profondeur avec un minimum de 20 cm est souvent considérée.

6.3 SECTION STABLE

L’approche de design d’un canal ou un cours d’eau stable considère que sa section est statiquedans le temps, qu’aucun matériel du lit ou des talus n’est érodé et que le cours d’eau ne trans-porte pas de quantité significative de sédiments pouvant se déposer dans le lit. Cette approcheconsidère que les forces dues à l’écoulement sont inférieures (avec un facteur de sécurité) à larésistance desmatériaux composant le fond et les talus. Cette stabilité est assurée pour tous lesdébits inférieurs aux débits de design. Pour les débits supérieurs au débit de design, ces canauxou ces cours d’eau peuvent être déstabilisés et s’éroder sévèrement. Dans cette approche, deuxméthodes de design sont considérée, celle des vitesses maximales acceptables et celle des for-ces d’arrachement.

6.3.1 Vitesses maximales acceptables

La vitesse maximale acceptable est la plus grande vitesse moyenne qui n’amènera pas l’éro-sion du lit et des talus du canal ou du cours d’eau. Comme cette vitesse est un paramètre dedesign qui doit avoir un facteur de sécurité, elle est inférieure à la vitesse qui amorcera la miseen mouvement du matériel.

Les vitesses maximales acceptables peuvent être déduites de tableaux qui mettent en relationles vitesses maximales acceptables avec différent matériaux composant le lit et les talus.

Fortier et Scobey présentèrent en 1926 un tableau des vitessesmaximales acceptables pour descanaux d’irrigation en terre sans végétation ni protection. Leurs résultats ont été compilés àpartir de questionnaires remplis par des ingénieurs d’expérience en irrigation et l’utilisationdeces résultats a été recommandée en 1926 par le Special Committee on Irrigation Research ofthe American Society of Civil Engineers. Ce tableau 6.1 a été repris dans de nombreuxmanuels d’hydraulique (Chow, 1959; Schwab et al., 1966; Fangmeier et al., 2006) et est tou-jours recommandé par le NRCS (USDA--NRCS, 2007). Les vitesses permises sont définiespour des canaux longs, réguliers et possédant une profondeur d’écoulement inférieure à 0,9 met une pente inférieure à 0,2%. Poiré et Olier (1978) présentent un tableau semblable (tableau6.2) où les vitesses maximales sont comparables sauf qu’ils tolèrent des vitesses plus faiblespour les sols à granulométrie fine. Fortier et Scobey (tableau 6.1) considèrent différemment lasituation où une eau claire sans érosion est considérée et celles où il est toléré que l’eau puissetransporter des sédiments cohésifs et non cohésifs. Les vitessesmaximales pour une eau clairedevraient être utilisées pour un design correspondant à un débit de faible récurrence (moins de2 ans) sachant fort bien que ce cours d’eau devra accepter de plus grands débits où les vitessesseront plus grandes. Les vitesses maximales, pour une eau pouvant contenir des sédiments,sont justifiées que lorsque des débits de grande récurrence sont considérés.

SECTION STABLE68

Tableau 6.1 Vitesses maximales recommandées par Fortier et Scobey pour des canaux droitsavec une faible pente, des profondeurs inférieures à 0,9 m et après vieillissement(USDA--NRCS, 2007)

Nature du lit n Eau claire Eau trans-portant descolloïdes

Eau transportantdes limons,

sables, graviersou des frag-

ments rocheuxm/s m/s m/s

Sable fin non cohésif 0.020 0.46 0.76 0,46Loam sableux non cohésif 0.020 0.53 0.76 0,61Loam limoneux non cohésif 0.020 0.61 0.91 0,61Limon alluvionnaire non cohésif 0.020 0.61 1.07 0,61Loam ferme ordinaire 0.020 0.76 1.07 0,69Cendres volcaniques 0.020 0.76 1.07 0,61Argile dure, très cohésive 0.025 1.14 1.5 0,91Limon alluvionnaire cohésif 0.025 1.14 1.5 0,91Schistes argileux et sols compacts 0.025 1.83 1.8 1,5Gravier fin 0.020 0.76 1.5 1,14Loam pierreux non cohésif 0.030 1.14 1.5 1,5Limon pierreux cohésif 0.030 1.2 1.7 1,5Gravier grossier 0.025 1.2 1.8 2,0Cailloux et galets 0.035 1.5 1.7 2,0

Tableau 6.2 Vitesses maximales recommandées (Poire et Olier, 1978)

Vitesses maximales en m/sNature du lit à la surface Vitesse moyenne

dans la sectionau fond

Terres détrempées et terres glaises 0.15 0.11 0.08Argiles grasses 0.30 0.23 0.16Sables 0.60 0.46 0.31Graviers 1.22 0.96 0.70Pierres cassées 1.52 1.23 0.94Schistes tendres, poudingues 2.22 1.86 1.49Roches tendres 2.75 2.27 1.82Roches dures 4.27 3.69 3.14

Les tableaux 6.1 et 6.2 doivent être utilisés avec discernement où l’expérience appuie cesvaleurs. En général, un canal ou un cours d’eau d’un certain âge est plus stable que lorsqu’ilvient d’être creusé. À titre d’exemple, lorsqu’un sol contient des graviers et des cailloux, lescrues survenant après sa construction emporteront le matériel fin. Ceci provoquera une grande

69SECTION STABLE

érosion mais laissera sur le lit les cailloux et les graviers. Ce canal sera alors plus stable pouraffronter les crues subséquentes. L’établissement d’une végétation naturelle sur les talus ouune partie de ceux--ci contribue à augmenter leur résistance. Le USACE (1991) présente aussiun tableau (tableau 6.3) des vitesses maximales recommandées en fonction du matériel du lit.

Tableau 6.3 Vitesses maximales recommandées (USACE, 1991)

Matériel du lit Vitesse maximale (m/s)Sable fin 0,61Sable grossier 1,22Gravier fin 1,83Sol

Limon sableux 0,61Argile limoneuse 1,07Argile 1,83

Roc fragile (roche sédimentaire) 3,05grès fragiles 2,44schistes fragile 1,07

Roc solide (généralement volcanique ou métamorphique) 6,08

Fischenich (2001) a compilé les vitesses maximales acceptables et les forces de cisaillementrecommandées pour différents matériaux pouvant composer ou recouvrir le lit et les talus(tableau 6.4). Les vitessesmaximales recommandées pour les sols correspondent à celles pourune eau claire du tableau 6.1. L’utilisation des vitesses moyennes dans les canaux et les coursd’eau comme critère pour limiter l’érosion est questionnée car d’autres facteurs doivent êtreconsidérés comme la profondeur d’écoulement comme le montre la figure 6.1 adaptée deUSACE (1991). Cette figure permet que le lit du cours d’eau puisse se déplacer légèrement.

Figure 6.1 Vitesse maximale recommandée en fonction de la profondeur d’écoulementpour les sols pulvérulents (USACE, 1991).

0,10

1,00

10,00

0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00D50 du matériel du lit (mm)

Vite

sse(m

/s)

Profondeur d’écoulement1,5 m

3 m6 m

SECTION STABLE70

Tableau 6.4 Vitesses maximales et forces de cisaillement compilées par Fischenich (2001).

Catégorie Matériel Vitessemaximale

Taux decisaillement

Sources

(m/s) (N/m2) (Pa)Sols Sable fin cohésif 0,45 1,0 -- 1,5Sols

Loam sableux non cohésif 0,53 1,5 -- 1,9

Limon alluvionnaire non cohésif 0,61 2,1 -- 2,4

Loam limoneux non cohésif 0,53 -- 0,69 2,1 -- 2,4

Loam ferme 0,76 3,6

Graviers fins 0,76 3,6

Argile dure 0,9 -- 1,37 12

Limon alluvionnaire cohésif 1,14 12

Loam pierreux 1,14 18

Limon pierreux 1,2 21

Schiste argileux et sols compacts 1,8 32Gravier /cailloux

25 mm 0,76 -- 1,5 16Gravier /cailloux 50 mm 0,91 -- 1,8 32

150 mm 1,2 -- 2,3 96

300 mm 1,7 -- 3,6 190Végétation Herbes Classe A 1,8 -- 2,4 180Végétation

Herbes Classe B 1,2 -- 2,1 100

Herbes Classe C 1,06 48

Herbe indigène longue 1,2 -- 1,8 57 -- 81

Herbe indigène courte et 0,9 -- 1,2 34 -- 45

Plantation d’héliophytes N/A 5 -- 29

Plantation bois dur N/A 20 -- 120Géotextilesdégradable

tissé de jute 0,3 -- 0,75 22Géotextilesdégradable paille avec filet 0,3 -- 0,9 72 -- 79

fibre de coco avec filet 0,9 -- 1,2 108

Matelas de fibre de verre 0,75 -- 2,1 96Enroche-ment

d50 -- 150 mm 1,5 -- 3,0 120Enroche-ment d50 -- 225 mm 2,1 -- 3,3 180

d50 -- 300 mm 3,0 -- 4,0 240

d50 -- 450 mm 3,7 -- 4,9 360

d50 -- 600 mm 4,3 -- 5,5 480Surfacedure

Gabions 4,3 -- 5,8 480Surfacedure Béton > 5,5 600

71SECTION STABLE

En 1977, le Soil Conservation Service (SCS, 1977) a proposé une méthode pour estimer lavitesse maximale acceptable et cette approche est celle toujours retenue par le USDA--NRCS(2007). Cette méthode a été développée en utilisant les données de Fortier et Scobey (1926),Lane (1955) et des études soviétiques (USSR, 1936). Pour les sols pulvérulents, la vitessemaximale nominale est déterminée (figure 6.2) selon leD75 dumatériel du lit du cours d’eau eten fonction de la concentration en sédiment que transporte le cours d’eau. Pour les sols cohé-sifs, la vitessemaximale nominale est déterminée (figure 6.3) en fonction de l’indice de plasti-cité et selon le type de sol en utilisant le système de classification unifiée des sols. Quelque soitle cas, la vitesse maximale nominale est supérieure à 0,6 m/s.

Figure 6.2 Vitesses maximales nominales pour les sols pulvérulents (SCS, 1977; USDA--NRCS, 2007).

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00D75 du matériel du lit (mm)

Vite

sse(m

/s)

Sédiments < 1000ppm

Sédiments > 20 000 ppm

Pour les sols pulvérulents, la vitesse maximale nominale doit être corrigée pour tenir comptede la profondeur d’écoulement “FD” , la pente des talus “FB” et le rayon de courbure “FA”selon l’équation suivante :

[6.1]Vm = Vbp FD FB FA

Vm = vitesse maximale acceptable (m/s)

Vbp = vitesse maximale nominale pour les sols pulvérulents (m/s)(figure 6.2)

FD = facteur de correction pour la profondeur d’écoulement (figure 6.4)

FB = facteur de correction pour la pente des talus (figure 6.4)

FA = facteur de correction pour la rayon de courbure (figure 6.4)

Le facteur de correction pour la rayon de courbure est fonction du rapport du rayon de cour-bure sur la largeur du cours d’eau.

SECTION STABLE72

Figure 6.3 Vitesses maximales nominales pour les sols cohérents (SCS, 1977; USDA--NRCS, 2007).

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

10 12 14 16 18 20 22 24Indice de plasticité

Vite

sse(m

/s)

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

10 12 14 16 18 20 22 24Indice de plasticité

Vite

sse(m

/s)

ML, OL, SM

MH, OH

GM, CL, SC

GC CH

ML, OL, SM

MH, OH

GM, CL

SC

CHGC

Eau chargée en sédiment > 20 000ppmEau peu chargée en sédiment < 1000 ppm

Pour les sols cohésif, la vitesse maximale nominale doit être corrigée pour tenir compte de laprofondeur d’écoulement “FD”, “FB” et le rayon de courbure “FA”, l’indice des vides “Fe” etde la récurrence “FD” selon l’équation suivante :

[6.2]Vm = Vbc FD FA Fe FR

Vm = vitesse maximale acceptable (m/s)

Vbc = vitesse maximale nominale pour les sols cohérents (m/s)(figure 6.3)

FD = facteur de correction pour la profondeur d’écoulement (figure 6.4)

FA = facteur de correction pour la rayon de courbure (figure 6.4)

Fe = facteur de correction pour l’indice des vides (figure 6.4)

FR = facteur de récurrence (figure 6.4)

Les facteurs de corrections sont présentés à la figure 6.4.

La méthode de la vitesse maximale est très populaire car très simple d’utilisation.

73

Figure 6.4 Facteurs de correction (SCS, 1977; USDA--NRCS, 2007).

0,80,91,01,11,21,31,41,5

0 1 2 3 4 5 6Profondeur d’écoulement (m)

FD

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

10 30 50 70 90 110

Récurrence (an)

FR

0,4

0,6

0,8

1,0

1,0 2,0 3,0

FB

Rayon courbure

Largeur

FA

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

0,7

0,8

0,9

1,0

4 6 8 10 12 14 16

Facteur de profondeur d’écoulement FD Facteur de pente de talus FB

Facteur de rayon de courbure FA

Pente de talus ”z”

Facteur de récurrence FR

Indice des vides “e”

Fe

Facteur d’indice des vides Fe

CH, MH

CL, ML

SM, SC, GM, GC

74

6.3.2 Méthode de la force d’arrachement (tractive force)

Laméthode de la force d’arrachement développée par le Soil Conservation Service évalue quecette force est approximativement :

[1.1]τ0 = K Rh S

τ0 = force unitaire d’arrachement (N/m2) ou (Pa)

ρ = poids unitaire de l’eau (10 000 N/m3)

Rh = rayon hydraulique (m)

S = pente du canal (m/m)

K = rapport entre la force d’arrachement capable d’arracher le sol autalus et celle nécessaire pour arracher le même sol au fond ducours d’eau.

Cette méthode semble limitée car elle est surtout basée sur des études théoriques. Son utilisa-tion pratique doit être faite avec circonspection. Elle est surtout utile à améliorer le design debase car les forces unitaires d’arrachement peuvent être converties en vitesse équivalente.Ainsi, elle peut nous permettre de connaître les points faibles de différents types de section ou,du moins, les sections les plus efficaces pour lutter contre l’érosion. Selon cette méthode, labase d’une section trapézoïdale doit être deux fois plus grande que la profondeur d’eau pourque les talus soient aussi stablesque le fond du cours d’eau.Ceci est confirmé par l’observationdes cours d’eau naturels où leur largeur est de trois à quatre fois leur profondeur d’écoulement.

Cette méthode semble intéressantemais doit être développée. Son intérêt se manifeste davan-tage pour les cas de sols pulvérulents comme les sables, graviers et cailloux où la pente destalus et le type de section ont une grande influence sur la stabilité du cours d’eau.

75PENTE DES TALUS

6.4 PENTE DES TALUS

L’instabilité des talus d’un cours d’eau peut amener une contribution importante au processusd’érosion d’un cours d’eau. Le tableau 6.5 donne un ordre de la grandeur de la pente qui peu-vent être donnée à un talus pour qu’il soit stable et en fonction des différents types de sol.

Tableau 6.5 Pentes des talus des cours d’eau recommandées aux USA.

Type de sol Pente des talusType de sol

(NRCS, 2001),(Frangmeir et al., 2006)

(Chow, 1959,Schwab et al., 1966)

Roc 0,25 : 1 Presque verticale

Roches libres et gravier cimentés 0,75 : 1Tourbe et terre noire 1 : 1 1/4 : 1

Argile dure / lourde 1 : 1 1/2 à 1 : 1

Argile lourde de classification CH 4 : 1

Sol protégé par de la pierre ou solpour grands canaux

1 : 1

Argile ferme ou sol pour petitscanaux

1 1/2 : 1

Loam 2 : 1

Sable ou limon avec argile 1,5 : 1

Sols sableux 2 : 1

Loam sableux ou argile poreuse 3 : 1

Limons et sables avec nappes 3,5 : 1

6.5 LES COURBES

LeUSDA--NRCS (2007) recommande de respecter les valeurs du tableau 6.6 pour les courbesqui ne sont pas protégée.

Schwab et al. (1966) recommandent de réduire les vitessesmaximales permises de 5% lorsqueles canaux sont légèrement sinueux, de 15% lorsqu’ils le sont modérément et de 25%lorsqu’ils le sont fortement. La méthode des vitesses maximales du USDA--NRCS (2007)inclue un facteur de correction pour le rayon de courbure dans la figure 6.4.

76

Tableau 6.6 Rayons minimaux de courbure suggérés dans les sols stables où les talus ne sontpas protégés (USDA--NRCS, 2007)

Type de cours d’eau Pente Rayon de cour-bure minimum

(m)

Longueurapproximativede la courbe(degrés)

Petits cours d’eau avec une largeurd’ouverture inférieure à 5 m

< 0,00060,0006 -- 0,0011

90125

1914

Cours d’eau moyen avec une lar-geur d’ouverture de 5 m à 11 m

< 0,00060,0006 -- 0,0011

150180

1110

Grand cours d’eau avec une largeursupérieure à 11 m

< 0.00060.0006 -- 0,0011

180240

107

6.6 DÉTERMINATION DE LA SECTION STABLE

La détermination de la section stable d’un cours d’eau est une des étapes dudesign. Engénéral,le design suit la procédure suivante :

1. Détermination des débits à évacuer (Q)

2. Détermination des caractéristiques du terrain (type de sol, pente du cours d’eau, etc.)

3. Détermination des contraintes à respecter (talus, érosion, environnement, etc.)

4. Détermination des possibilités de solutions

5. Étude des possibilités

6. Vérification du respect des contraintes

7. Évaluation des coûts

8. Décisions

Dans le cas d’un cours d’eau droit et de débit régulier, l’écoulement est uniforme et une procé-dure simple peut être utilisée pour déterminer la section nécessaire. Les figures 6.5 et 6.6 pré-sentent deux algorithmes simples. Ces algorithmes permettent aussi dedéterminer leshauteursd’écoulement dans un cours d’eau de forme déterminée pour différentes conditions de débit,d’estimer les vitesses d’écoulement et la stabilité actuelle du cours d’eau. Dans ce cas,l’étape 3) est remplacée par la caractérisationde la section actuelle et lesdeux dernières étapessont omises.

Lorsqu’un cours d’eau possède des structures qui sont un obstacle à l’écoulement (ponceaux,barrages, etc.), l’écoulement est graduellement varié et les niveaux d’eau demêmeque les sec-tions nécessaires doivent être déterminés à l’aide des courbes de remous. Des combinaisons destructures et de sections sont étudiées en déterminant les courbes de remous propres à chaque

77DÉTERMINATION DE LA SECTION STABLE

situation et cela, jusqu’à ce que les contraintes soient respectées. La détermination des courbesde remous sera présentée au prochain chapitre.

Figure 6.5 Algorithme pour dimensionner les canaux droits avec écoulement uniforme,méthode générale.

1) Débit de design (Qo), pente du cours d’eau (S)

2) Coefficient de rugosité “n”

3) Choix du type de section

4) Contraintes à respecter : dmin, dmax, ymax,bmin, Vmax, Vmin, Amin, Zmax

5) Largeur du fond “b”

6) y (choix arbitraire à la première itération)

7) Calcul de la section A > Amin

8) Calcul du rayon hydraulique Rh

9) Calcul de la vitesse d’écoulement V < Vmax

10) Calcul Q = V A > [1.0--1.1] Qo

11) Revanche

12) Dimensions du canal

Mesures de protection

Solutionimpossible

Figure 6.6 Algorithme pour dimensionner les canaux droits avec écoulement uniformeen utilisant la figure B.1 du chapitre 3.

Mesures de protection

Solutionimpossible

Q n

S12

1) Débit de design (Qo), pente du cours d’eau (S)

2) Coefficient de rugosité “n”

3) Choix du type de section

4) Contraintes à respecter : dmin, dmax, ymax, bmin,Vmax, Vmin, Amin, Zmax

5) Calcul

6) Largeur au fond “b”

7) Détermination de y selon la figure B.1 (Chapitre 3)

8) Calcul de la section A du rayon hydraulique Rh

9) Calcul de la vitesse d’écoulement V < Vmax

11) Revanche

12) Dimensions du canal

78

6.7 LES VOIES D’EAU ENHERBÉES

Le rôle d’une voie d’eau engazonnée est de transporter les eauxde ruissellement lors despluiesimportantesoude la fonte des neiges sans provoquer d’érosion. Endehors despériodes de ruis-sellement, ces voies d’eau sont à sec. De plus, tout canal en terre qui ne transporte de l’eau quede façon intermittente est envahi par la végétation et il doit être considéré comme un canalenherbé lors de la détermination de sa capacité de transport.

La présence d’herbe accroît la résistance du lit à l’écoulement, ce qui permet de tolérer de plusgrandes vitesses d’écoulement. Le tableau 6.7 présente les vitesses maximales permises dansles canaux enherbés et les voies d’eau engazonnées.

AuQuébec, les principales espèces recommandées sont les graminées, car elles sont plus résis-tantes aux conditions humides et à l’hiver. Elles sont présentées au tableau 6.8 avec leur tauxapproximatif de semis.

Les voies d’eau doivent être ensemencées de préférence lorsque le sol est humide, ce qui per-met une meilleure germination. La meilleure période est le printemps, car elle permet un bonétablissement de la plante pour affronter les pluies d’automne. Le début août est la périodelimite pour l’ensemencement. L’implantation des graminées fourragères est recommandéeavec une plante abri. Pour une bonne germination et une protection temporaire, il est recom-mandé de couvrir le sol d’un paillis (paille), car il aide à retenir l’humidité.

Pour une bonne longévité, les voies d’eau enherbées doivent être entretenues et fertiliséescomme un champ. Dans les régions où les productions laitières et bovines prédominent, cessurfaces ne sont pas perdues, car la plante peut être récoltée comme foin. Toutes les planteshautes nécessitent une fauche régulière, mais la fétuque rouge est moins exigeante.

Dans les voies d’eau enherbées, le facteur de rugosité de Manning est variable et dépend descaractéristiques physiques de l’écoulement dont le produit de la vitesse et du rayon hydrauli-que (figure 3.3). L’expérimentation de Ree (1949) a permis de préparer des abaques (figures3.5 à 3.8) pour calculer les vitesses en fonction des différents types de résistance à l’écoule-ment et la formule Manning. Les types de résistance à l’écoulement selon la végétation sontdéterminés selon le tableau 6.9.

Les pentes des talus des voies d’eau doivent être suffisamment faibles pour permettre la circu-lation des machines. Une pente de 4:1 est jugée maximale.

Lors du design du voie d’eau, il est nécessaire de considérer les conditions critiques suivantes :

1. le canal a une section suffisante lorsque l’herbe est longue;

2. les vitesses ne sont pas critiques lorsque l’herbe est fauchée;

3. le canal est suffisamment protégé ou les vitesses ne sont pas critiques lors de l’implanta-tion de la végétation.

Le design des voies d’eau enherbées s’effectue selon l’algorithme de la figure 6.7.

79LES VOIES D’EAU ENHERBÉES

Tableau 6.7 Vitesses maximales recommandées dans les canaux enherbés adaptées de Ree(1949) pour les espèces recommandées au Québec et pour les conditions québé-coises.

Vitesses maximales (m/s)

Sol résistant Sol sensible

Espèces Pente (%)

0--5 5--10 > 10 0--5 5--10 > 10

Alpiste roseau 2.4 2.1 1.8 1.8 1.5 1.2

Fétuque élevéePâturin des présAgrostides

2.1 1.8 1.5 1.5 1.2 0.9

MilMélange de graminéesFétuque rouge

1.5 1.2 NR* 1.2 0.9 NR

Plantes annuelles pour une pro-tection temporaire

1.0 NR NR 0.8 NR NR

*Non recommandé

Tableau 6.8 Espèces recommandés au Québec et taux de semis pour la protection des voiesd’eau.

Espèces Taux de semis* Remarques

kg/ha g/100 m

Alpiste roseau 5--10 60--100 Très résistante

Fétuque élevée 7--10

Fétuque rouge 11--13 110--130 Ne nécessite pas de fauche

Pâturin des prés 7--9 70--90

Agrostides 7--10 70--90

Mil 10--12 100--200

Mélange de graminées 6--10 60--100

Plantes annuelles** Comme protection temporaire

-- avoine 95 950

-- blé 135 1350

-- seigle 125 1250

* Pour le semis à la volée, doubler le taux.

** Comme plante abri, utiliser 75 % du taux de semis

80

Tableau 6.9 Guide de sélection du type de résistance de la végétation (U.S. Soil ConservationService 1954).

Implantation Longueur moyenne(cm)

Type de résistance

> 90 A très élevée

30--60 B élevéeBonne 15--25 C moyenne

5--15 D faible

< 5 E très faible

> 90 B élevée

30--60 C moyenneSatisfaisante 15--25 D faible

5--15 D faible

< 5 E très faible

1. Données : • Débit à évacuer (Q)

• Pente (S)

• Espèce (naturelles ou choix)

• Type de résistance (Tableau 3.1)

2. Détermination des vitesses maximales (V max )-- Tableau 6.7

3. Détermination du type de section

4. Profondeur ”y” d’écoulement

(choix arbitraire à la première itération)

5. Calculs de la section

et du rayon hydraulique Rh

6. Calcul de la vitesse V (Figures 3.5 à 3.8)

V calculée < V max ?

7. Q ≤ A * V < 1,1 Q ?

8. Vérification des autres conditions critiques

9. Profondeur du fossé ou de la voie d’eau = 1,2 y

Non

Non

Solution impossible

Mesures de

protection

Figure 6.7 Algorithme pour déterminer la capacité d’une voie d’eau enherbée.

81BIBLIOGRAPHIE

BIBLIOGRAPHIE

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USACE, 1991. Engineering and design -- tidal hydraulics proponent. U.S Army Corps ofEngineers, EM 1110--2--1607, Washington, DC.

82


6.1. Pour un loam limoneuxKamouraska (description pédologique jointe), estimez les vites-ses maximales nominales recommandées selon les recommandations de :

a ) Fortier et Scobey,b ) Poiré et Oilier,c ) USDA--NRCSd ) USACE

6.2. Si le cours d’eau transporte une concentration en sédiments inférieure à 500 ppm, esti-mez les vitesses maximales nominales recommandées pour des lits de cours d’eau com-posés de sols granulaires ayant respectivement desD50 de 1mm, 5mm, 10mm, 50 mm,100 mm et 500 mm selon les recommandations de :

a ) USDA--NRCSb ) USACE

Le D75 est environ 1,5 D50.

83BIBLIOGRAPHIE

6.3. Quel est le facteur de correction à appliquer aux vitesses maximales nominales recom-mandées si la profondeur d’écoulement est respectivement de 60 cm, 90 cm, 120 cm,150 cm et 200 cm?

6.4. Quel est le facteur de correction à appliquer aux vitesses maximales nominales recom-mandées si les pentes des talus sont respectivement de 1:1, 1,5:1, 2:1, et 3:1?

6.5. Quel est le facteur de correction à appliquer aux vitesses maximales nominales recom-mandées si le cours d’eau a une largeur d’ouverture de 3 m et un rayon de courbure de10 m?

6.6. Pour un cours d’eau droit dont la largeur à la base est de 10 m, la pente des talus de 2:1,la profondeur d’écoulement de 2,6 m et le D75 du matériel du lit est d’environ 60 mm,quelle est la vitesse maximale recommandée? La concentration en sédiments est infé-rieure à 600 ppm. (source : SCS, 1977)

6.7. Pour le cours d’eau du problème précédent, quelle est la vitessemaximale recommandéesi le sol est une argile limoneuse (classification CL) possédant un indice de plasticité de18 et un indice des vides de 0,83? (source : SCS, 1977)

6.8. Vous avez la responsabilité de faire l’étude de l’aménagement des cours d’eau d’un bas-sin versant. À une étape de votre étude, vous avez à drainer une superficie de 280 hecta-res dont le débit à évacuer pour une récurrence de 10 ans est de 1,8 m3 par seconde. Ace point du bassin versant, le sol est un loam limoneuxKamouraska (description pédolo-gique jointe). Le cours d’eau actuel est légèrement sinueux et a une pente de 0,15%, uneprofondeur de 25 cm et une largeur de 1,1m. Sa section est quasi rectangulaire avec unevégétation arbustive (aulnes) de 2 mètres de hauteur sur ses bords. Cette végétation secroise au--dessus du cours d’eau et occupe une bande de 1mètre de chaque coté du coursd’eau. Les abords du cours d’eau ont une pente de 1% et sont cultivés en foin.

a ) Quelle capacité la section actuelle du cours d’eau peut--elle évacuer sans provoquerde débordement?

b ) Dans les conditions actuelles, quelle serait la largeur du terrain inondé lorsque ledébit de design s’y écoule?

c ) Quelle serait la capacité de cemême cours d’eau si les broussailles étaient enlevéeset les talus refaits avec une pente acceptable pour ce type de sol? Quelle serait lapente acceptable des talus?

d ) Quelle serait la vitesse maximale recommandée?e ) Si le cours d’eau doit être recreusé, quelle serait la section nécessaire (dimensions :

largeur à la base, pente des talus, profondeur d’écoulement, profondeur du coursd’eau) pour évacuer adéquatement le débit de design?

84

6.9. Vous devez construire une voie d’eau enherbée pour intercepter les eaux de ruisselle-ment de terrasses où se pratique une rotation de maïs, luzerne et céréales. La pente duterrain est de 3 % et le sol est de type sablo--limoneux. Ledébit dedesign est de 0,5m3/s.L’agriculteur souhaite l’enherber avec de l’alpiste roseau.

a ) Quelle vitesse maximale recommanderiez--vous d’utiliser?b ) Quelle pente des talus de la voie d’eau recommanderiez--vous?c ) Quelles dimensions (largeur à la base, profondeur) recommanderez--vous pour la

voie d’eau?d ) Quelles sont les vitesses et la profondeur d’écoulement lorsque l’alpiste roseau est

fauchée?e ) La voie d’eau peut--elle être fauchée?

6.10. Vous devez construire une voie d’eau enherbée pour intercepter les eaux de ruisselle-ment de terrasses où se pratique une rotation de maïs, céréales et luzerne. La pente duterrain est de 2 % et le sol est de type loam--argileux. Le débit de design est de 0,6 m3/s.L’agriculteur souhaite l’enherber avec de la mil (fléole).

a ) Quelle vitesse maximale recommanderiez--vous d’utiliser?b ) Quelle pente des talus de la voie d’eau recommanderiez--vous?c ) Quelles dimensions (largeur à la base, profondeur) recommanderez--vous pour la

voie d’eau?d ) Quelles sont les vitesses et la profondeur d’écoulement lorsque la fléole est fau-

chée?e ) La voie d’eau peut--elle être fauchée?

CHAPITRE 7Enrochement

7.1 INTRODUCTION

Il se présente parfois des situations de cours d’eau naturels ou de canaux où il est impossible de cons-truire ou d’aménager en respectant les critères de stabilité précédemment définis. Lorsque le sol nepermet pas des conditions suffisamment stables, il faut rendre le cours d’eau et les structures résis-tants à l’érosion en les protégeant.

L’utilisation de cailloux, de roches et plus récemment de roc concassé s’est montré une solution inté-ressante pour protéger les cours d’eau et les canaux de l’érosion et réaliser certaines structureshydrauliques. Les roches et les cailloux sont desmatériaux souvent disponibles et accessibles près deplusieurs chantiers. Pour être efficace, leur utilisation dans des projets d’hydraulique nécessite unebonne connaissance de leurs propriétés et des lois de l’hydraulique.

Les roches, les cailloux ou la pierre concassée peuvent être utilisés pour protéger le fond des coursd’eau, leurs talus et construire des barrages et des seuils dissipateurs d’énergie.

7.2 DIMENSIONS ET ANGLE DE REPOS

Les cailloux et les roches peuvent être de différentes formes : sphérique, arrondie, cubique, angulaireou allongée.

La dimension des petits cailloux est généralement déterminée par tamisage. Les tamis sont constituésde mailles carrées et la dimension des cailloux tamisée est définie comme la largeur de l’ouvertureentre les mailles au travers duquel la roche ou le cailloux passe pour être retenue sur le tamis auxmailles de plus petites dimensions. Pour un cailloux arrondi ou sphérique, la dimension des maillesdu tamis sera plus grande que la dimension moyenne. Pour les cailloux de forme allongée, la pluspetite section du cailloux passera dans l’ouverture des mailles du tamis de sorte que la dimensionmoyenne sera près de l’ouverture des mailles du tamis.

86L’ENROCHEMENT DES TALUS ET DU FOND

Pour la stabilité des roches dans les structures hydrauliques, Stephenson (1979) considère que c’est lasurface exposée à l’écoulement qui est importante. La plus grande face est souvent la plus critique etla plus petite dimension de cette face contrôle la stabilité.

L’angle de repos des pierres et des cailloux dépend de leur grosseur et de leur angularité comme lemontre la figure 7.1.

Figure 7.1 Angle de repos du matériel granulaire (d’après, Simons, 1961).

2628303234363840424446

1,00 10,00 100,00 1000,00

Roc concassé

Arrondies

Angulaires

Diamètre des particules (mm)

Anglederepos(θ

)

1:1

1,25:1

1,5:1

1,75:1

2:1

Pente

7.3 L’ENROCHEMENT DES TALUS ET DU FOND

Lorsque la vitesse d’écoulement est supérieure aumaximumacceptable pour le type de sol rencontré,le cours d’eau peut être protégé en recouvrant le périmètre mouillé dematériaux pouvant résister auxvitesses rencontrées. En général, la pierre et les roches sont utilisées.

L’analyse de la stabilité d’une particule (grain de sable ou caillou) sur un talus ou dans le fond d’uncanal est analysé en détails par Julien (2002).

Plusieurs organisations et auteurs ont proposé différentes méthodes ou équations pour déterminer lagrosseur minimale des roches ou des pierres à être utilisée pour réaliser des canaux ou cours d’eaustable aux forces érosives. Prakash (2004) présente une revue exhaustive des différentes équationsqui ont été proposées. Escarameia (1998) et FHWA(2005) sont deux publications récentes traitant dela protection des cours d’eau et présentes différentes approches dont celle de l’enrochement (riprap).

Dans la pratique, la dimensionminimale des roches ou cailloux est déterminée par différentesmétho-des et la valeur de design est choisie en portant un jugement parmi les différentes valeurs calculées.Les principales équations utilisées sont présentées dans cette section et elles sont regroupées selondeux approches.

87 ENROCHEMENT

7.3.1 Approches non basées sur la turbulence

La méthode de Maynord (Maynord et al., 1989) estime la dimension des roches et des cailloux parl’équation suivante :

[7.1]d30D

= 0, 30 SF γ(γs − γ)

0,5 V

g D

2,5

d30 = diamètre des roches dont 30 % sont de diamètre inférieur (m)

D = profondeur moyenne de l’eau (m)

SF = facteur de sécurité utilisé

V = vitesse locale moyenne (m s--1)

g = accélération de la gravité (9,8 m s--2)

γ = masse spécifique de l’eau (kg m--3)

γs = masse spécifique de la roche (kg m--3)

Le facteur de sécurité SF recommandée est 1,2. La masse spécifique de la roche normalement utiliséest de 2640 kg/m3. Pour des masses spécifiques de la roche de 2560 kg/m3 et 2480 kg/m3, il estrecommandé de multiplier le d30 par un facteur de 1,06 et 1,114 respectivement.

La méthode No l du U.S. Army Corps of Engineers (USACE, 1994) propose l’équation suivante :

[7.2]d30Da

= SF Cs Cv Ct γ(γs − γ)

0,5 V

g Da K

2,5

K = facteur de correction pour la pente du talus = [1− sin2 θ

sin2φ

]

θ = angle du talus par rapport à l’horizontale

ϕ = angle de repos des cailloux ou des roches

SF = facteur de sécurité (1.1 -- 1,5)

Da = profondeur locale de l’écoulement

Cs = coefficient de stabilité

Cv = coefficient de distribution verticale de la vitesse

Ct = coefficient d’épaisseur

Pour la protection du lit d’un canal ou d’un cours d’eau,K= 1 puisque θ ≅ 0. Le coefficient de stabi-lité Cs est égal à 0,30 pour les pierres angulaires et 0,375 pour les pierres rondes. Le coefficient dedistribution verticale de la vitesseCv est égal à 1,0 pour les canaux droits et peut atteindre 1,283 dansles courbes. Le coefficient d’épaisseurCt est égal à 1,0 lorsque l’épaisseur de l’enrochement est égaleau d100.

88L’ENROCHEMENT DES TALUS ET DU FOND

Le modèle de l’ASCE (Vanoni, 1977) calcule le d50 minimum :

[7.3]d50 = 6 W50π γs0,333

[7.4]W50 = 0, 0232Gs V6

(Gs − 1)3 cos3 θ

W50 = poids des pierres (kg) pour un diamètre d50 des pierres

Gs = densité relative des pierres

Le modèle empirique du U.S. Bureau of Reclamation Peterka, 1958) spécifie simplement le d50 enfonction de la vitesse moyenne dans le canal ou le cours d’eau :

[7.5]d50 = 0, 043 V2.06a

Va = vitesse moyenne dans le canal ou le cours d’eau (m s--1)

Pour permettre les comparaison entre les différents modèles, le d50 est estimé à 1,5 d30.

Pour des raisons de stabilité, il est recommandé d’utiliser des pierres de différentes dimensions dansl’enrochement de sorte que les plus petites pierres occupent les espaces vides entre les plus grandespierres. Différentes répartitions de la grosseur des pierres sont recommandées par différentes organi-sations et le tableau 9.1 présente celle de Barfield et al. (1981).

Tableau 7.1 Répartitions de la grosseur des pierres (Barfield et al., 1981).

Dimension des pierres Pourcentage du poids total des pierres plus petites2 d50 1001,7 d50 851,0 d50 500,42 d50 150,10 d50 0

L’épaisseur de l’enrochement généralement recommandée est de 2 d50 ou de la dimension de la plusgrande pierre.

7.3.2 Approche basée sur la turbulence

Lavitesse d’écoulement en un point donné d’un cours d’eau oud’un canal n’est pas constante et varielocalement. Ces variations locales sont d’autant plus grandes que l’écoulement est turbulent, ce quiest généralement le cas dans les cours d’eau. Ces variations de vitesse peuvent causer des problèmesd’érosion.

La turbulence est définie en terme de niveau ou d’intensité de turbulence (turbulence intensity) etreprésente la variation de vitesse par rapport à la vitessemoyenne. Comme la turbulence est difficile à

89 ENROCHEMENT

mesurer, elle est souvent définie de façon qualitative. Desmesures effectuées en Angleterre (Escara-meia et al., 1995) ont permis de quantifier les niveaux de turbulence (turbulence intensity) présentsdans différents tronçons. Le niveau de turbulence a été défini comme le rapport de la racine carrée desvitesses au carré (root mean square) sur la vitesse moyenne. Les vitesses étaient mesurées près dufond, à une profondeur correspondant à 10%de la profondeur d’eau au--dessus du fond. En l’absencede mesures, Escarameia (1998) d’utiliser les données du tableau 7.2.

Tableau 7.2 Niveaux de turbulence (Escarameia, 1998).

SituationNiveau de turbulence

Situation Qualitatif Intensité (TI)

Cours d’eau ou tronçon droit et courbesnaturelles (R/W > 26)

Normal (faible) 0,12

Bordures des revêtements dans des tronçonsdroits

Normal (élevé) 0,20

Piliers de ponts, caissons, brise--lames;transitions

Moyen à élevé 0,35 -- 0,50

À l’aval de structures hydrauliques (déversoirs,ponceaux, bassins de dissipation)

Très élevé 0,60

L’équation deEscarameia etMay (1992) qui a été développée à partir d’essais en laboratoire utilise leconcept de turbulence :

[7.6]d50 = CV2b

2 g (γs γ− 1)

d50 = diamètre des roches dont 50 % sont de diamètre inférieur (m)

g = accélération de la gravité (9,8 m s--2)

Vb =vitesse près du fond (à 10 % de l’épaisseur de l’eau au--dessus du fond(m s--1)

C = coefficient intégrant l’intensité de la turbulence

Le d50 est estimé du poids d’un cube W50 γs 13.

Pour l’enrochement, la valeur du coefficient “C” est estimée avec l’équation suivante qui est validepour des TI > 0,05 et des pentes de talus inférieures 1:2 :

[7.7]C = 12, 3 TI− 0, 20

TI = intensité de la turbulence (tableau 7.2)

Pour des intensité de turbulence TI < 0,5, la vitesse au fond peut être estimée :

[7.8]vb = (− 1, 48 TI+ 1, 04) V

90PROTECTION DANS LES COURBE

Pour des intensité de turbulence TI > 0,5, la vitesse au fond peut être estimée par l’équation approxi-mative suivante :

[7.9]vb = (− 1, 48 TI+ 1, 36) V

L’équation [7.6] inclut un facteur de sécurité et elle estime alors de façon sécuritaire la taille des pier-res.

7.3.3 L’enrochement des talus des cours d’eau

L’équation [7.2] permet de calculer la grosseur des roches et cailloux pour la protection des talus descours d’eau. Le facteurKpermet de tenir compte de la pente du talus par rapport à l’angle de repos desroches ou cailloux. Lorsque l’angle du talus se rapproche de l’angle de repos, la grosseur des rochesdoit être augmentée de façon importante car les roches deviennent plus instables.

L’équation [7.2] est valide pour les pentes de talus inférieure 2:1. Pour des pentes de 1,5:1, il estrecommandé de multiplier le d30 par un facteur de 1,3.

7.4 PROTECTION DANS LES COURBES

Les points sensibles dans les courbes (figures 4.8 à 4.10) doivent être protégés par un enrochementcar les vitesses localisées sont fortement supérieures aux vitesses moyennes. La correction à appli-quer aux vitesses moyennes pour tenir compte de la concentration des vitesses près des talus dans lescourbes a été présentée dans le document de l’USACE (USACE, 1991) et elle est recommandée parle USDA--NRCS (2007). Laméthode est basée sur un grand nombre de cas observés en laboratoire etcomparés avec les données de prototypes (Maynord, 1988). La méthode est applicable pour des pen-tes de talus égales ou inférieures à 1,5:1. Cette méthode utilise la vitesse caractéristique Vss sur lapente des talus, vitessemoyenne locale qui est localisée à 20%de la pentemouillée au--dessus du pieddu talus. Ce point a été déterminé comme étant la partie du talus qui fait face à la plus grande vitesse.L’accroissement de cette vitesse par rapport à la vitesse moyenne (Vss/Vmoy) est fonction du rapportdu rayon de courbure de la ligne de centrale du cours d’eau dans la courbe sur la largeur au miroir del’écoulement (R/W). La figure xx.1 présente les valeurs recommandées pour les cours d’eau naturelsalors que la figure xx.2 présente le cas des canaux trapézoïdaux. Les données présentées à la figu-re xx.2 sont basées sur les calculs de modèles numériques décrits par Bernard (1993). Les facteursaffectant la distribution des vitesses sur les talus dans les courbes enrochées sont R/W, l’angle de lacourbe et le rapport de la largeur au fond “b” sur la profondeur d’écoulement “y”. USDA--NRCS(2007) spécifie que les valeurs de Vmoy, R et W doivent être basées sur l’écoulement dans le canalprincipal et ne doivent pas inclure la pleine d’inondation.

91 ENROCHEMENT

Figure 7.2 Rapport de la vitesse à 20% du pied de la pente du talus sur la vitesse moyennepour les canaux naturels (Source : USDA--NRCS, 2007).

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

2 20104 40

R/W

VssVmoy

Ces éléments ont été repris dans les études réalisées par les USACE (1994) traitant de la protectiondans les courbes et les résultats sont inclus dans l’équation [7.2] par le coefficient de distribution devitesse Cv. Ce dernier est définie de la façon suivante lorsque le R/W est inférieur à 26 :

[7.10]Cv = 1, 283− 0, 2 lg10RW

R = rayon de courbure de la ligne de talweg la courbe

W = largeur au miroir

Dépendant de la géométrie de la courbe, ce coefficient va typiquement accroître la taille des pierresjusqu’à 30% par rapport aux conditions d’un cours d’eau droit. Bien que ce coefficient aie été déve-loppé pour l’équation [7.2], Escarameia (1998) recommande de l’utiliser avec les autres équations.

92

Figure 7.3 Rapport de la vitesse à 20% du pied de la pente du talus sur la vitesse moyennepour les canaux trapézoïdaux (Source : USDA--NRCS, 2007). Les courbes sontbasées sur lemodèle STREMR(Bernard, 1993) pour desVmoy=1,8m/s, n =0,038et y = 4,6 m.

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

2 20104 40R/W

VssVmoy

by = 3, 3

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

2 20104 40R/W

VssVmoy

by = 6, 7

Angle de la courbe 120

80

40

Angle de la courbe 120

80

40

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

2 20104 40R/W

VssVmoy

by 10Angle de la courbe 120

80

40

93

7.5 ENROCHEMENT DE PENTES FORTES

Dans le cas des cascades, des chutes enrochées, les seuils dissipateurs d’énergie et les tronçons à trèsfortes pentes, les équations précédentes ne peuvent être utilisées. Les deux équations suivantes sontproposées.

7.5.1 Équation de l’USACE

Dans le cas des canaux ou des cours d’eau à forte pentes (2 à 20%), les débits par unités de largeur etl’épaisseur de l’écoulement sont généralement faibles et les vitesses d’écoulement sont générale-ment grandes. L’USACE (1994) recommande le modèle suivant :

[7.11]d50 = 1, 95K S0,555 q23

g13

K = facteur de concentration de l’écoulement, généralement 1,25

S = pente du lit (m/m)

q = débit par unité de largeur (m3 m--1 s--1)

7.5.2 Équation de Stephenson

Lemodèle développé par Stephenson (1979) permet de déterminer l’angle aval de l’enrochement enfonction du diamètre des pierres de l’enrochement, de l’angle de repos des pierres et du débit unitaire.Sonmodèle a été développé par l’analyse des conditions de déséquilibre. La détermination du diamè-tre des pierres requises se fait simultanément avec celle de l’angle aval de l’enrochement. L’équationobtenue est :

[7.12]tan θ =0, 35 g23 D85e

10000 2

q43 (γs γ− 1) cos θ (tan− tan θ)

53

θ = angle d’enrochement;

φ = angle de repos des pierres

g = constante gravitationnelle (9,815 m s--2);

D85e = diamètre pour lequel 85% des pierres de l’enrochement sont pluspetites (mm);

q = débit unitaire (m3 s--1 m--1).

Cette équation étant implicite, elle doit être résolue par itération. Les figures 7.4 à 7.9 permettent desimplifier ces calculs. Ces fleures montrent la variation de l’angle aval de l’enrochement en fonctiondu diamètre des pierres pour des débits spécifiques variant de 0,25 m3/s à 3,0 m3/s et pour des anglesde repos des pierres de 38°,--40° et 42°. La densité des pierres a été choisie égale à γs = 2,7.

94

Figure 7.4 Diamètre des pierres de l’enrochement (D85e) en fonction de l’angle avald’enrochement et du débit spécifique (0,25 < q < 1,00 m3/s--m) pour unangle au repos de 38°.


95

Figure 7.6 Diamètre des pierres de l’enrochement (D85e) en fonction de l’angleaval d’enrochement et du débit spécifique (0,25 < q < 1,00 m3/s--m)pour un angle au repos de 40°.

Figure 7.7 Diamètre des pierres de l’enrochement (D85e) en fonction de l’angleaval d’enrochement et dudébit spécifique (1,00<q<3,00m3/s) pourun angle au repos de 40°.

96

Figure 7.8Diamètre des pierres de l’enrochement (D85e) en fonctionde l’angle avald’enrochement et du débit spécifique (0,25<q< 1,00m3/s--m) pour unangle au repos de 42°.


97

7.6 EFFONDREMENT DES TALUS

Il est difficile de rendre stables les talus sableux qui souffrent d’instabilité mécanique ou qui sontsoumis au suintement. Il arrive aussi que, suite à une forte crue, certains talus ou rives soient littérale-ment emportés. Dans ce cas comme dans le premier, il faut stabiliser les talus pour qu’ils puissentrésister aux prochaines crues sans provoquer un phénomène accéléré d’affouillement. L’enroche-ment (figure 7.10) est selon Dickinson (1975) la méthode la plus économique de stabiliser les talus.

Figure 7.10 Enrochement d’un talus a) d’après Dickinson (1975) b) tel que réalisé auQuébec.

a) tel que proposé par Dickinson (1975).

b) tel que réalisé au Québec.

Clef

Le point le plus sensible est en général le pied du talus. C’est là que doivent être les plus grossesroches. Cet enrochement doit être bien ancré dans le fond du cours d’eau pour empêcher que l’écoule-ment puisse faire bouger le fond du lit et créer des conditions favorables à l’affouillement sous lesroches. L’enrochement est nécessaire sur une hauteur correspondant à celle provoquée par une crueannuelle (Shanklin, 1976). La grosseur des roches peut être déterminée selon les modèles présentésprécédemment et la pente des talus est, en général, de 1,5 :1 à 2 :1. AuQuébec, quelques expériences

98L’ENGAZONNEMENT DES TALUS

d’enrochement pour réparer des rives fortement endommagées ont été réalisées avec des pentes plusfortes que celles recommandées et semblent donner de bons résultats.

7.7 L’ENGAZONNEMENT DES TALUS

Dans les cours d’eau transportant en général de faibles débits sauf lors des crues, l’implantation d’uneplante herbacée sur les talus est une solution économique et généralement suffisante. Les talus enga-zonnés peuvent supporter des vitesses de 1,0 -- 2,0 m/s. L’établissement de la végétation ne peut êtreeffectué sous le niveau moyen des eaux d’été. La fin du printemps est la période la plus propice pourl’établissement de la végétation car le sol est encore humide et la saison suffisamment longue avantles crues d’automne.

7.8 CONCLUSION

De nombreux moyens existent pour protéger les cours d’eau de l’érosion et ils reposent tous sur lesprincipes suivants : il faut respecter les contraintes limites (vitesses maximales, forces d’arrache-ment) dans les conditions naturelles ou rendre les structures résistantes aux conditions que nous leurimposons. Dans ce dernier cas, l’utilisation de roches et de pierres est un moyen efficace de protec-tion.

99

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Vanoni,VA. 1977. Sedimentation engineering.ASCEManuals andReports onEngineeringPracticeNo 54, New--York.

100CONCLUSION

GAE--21287 PROBLÈMES SÉRIE 8.

8.1. Un cours d’eau trapézoïdal ayant une base de 2,0 m, une profondeur de 0,9 m et une pente destalus de 1,5:1 coule dans un loam argileux avec une pente de 0,006. Si le débit du cours d’eauest de 2,6 m3/s,

a ) Estimez la profondeur normale et la vitesse d’écoulement.

b ) Quelle est la vitesse maximale acceptable?

c ) Comme cette vitesse est non sécuritaire, vous devez envisager d’enrocher ce coursd’eau. Calculez la grosseur des roches à mettre au fond et sur le talus pour le protégeradéquatement, ce par les différentes formules.

8.2. Calculez la dimension de la voie d’eau et la grosseur des roches du problème4.4 si la voie d’eaudevait être enrochée au lieu d’être enherbée.

8.3. Calculez la dimension de la voie d’eau et la grosseur des roches du problème4.5 si la voie d’eaudevait être enrochée au lieu d’être enherbée.

CHAPITRE

8Courbe de remous

8.1 INTRODUCTION

La construction de ponceaux ou de toute autre structure hydraulique dans un cours d’eauamène une modification du régime d’écoulement en amont de la structure. Si l’écoulementdans la structure peut être rapidement modifié, l’écoulement en amont y est graduellementmodifié sur une certaine distance pour redevenir uniforme si la distance est suffisammentgrande. La profondeur d’écoulement est variable et la courbe représentant la profondeurd’écoulement est communément appelée “courbe de remous”.

8.2 CONCEPTS DE BASE

La courbe de remous se calcule à partir de l’équation de l’énergie qui s’exprime en un point ::

[8.1]E = z+ y+ α

V2

2g

E = énergie (L)

z = élévation du fond du cours d’eau par rapport au niveau de référence(L)

y = profondeur d’eau (L)

V = vitesse moyenne d’écoulement (L/T)

α = coefficient de répartition des vitesses (1.0 -- 1.3)

g = constante d’accélération gravitationnelle (L/T2)

102 COURBE DE REMOUS

Figure 8.1 Répartition de l’énergie dans un écoulement graduellement modifié.

NIVEAU DE RÉFÉRENCE

V12

2 g

V22

2 g

y1

y2

z1z2

hf

1S0

∆x

z

x

Lorsque la pente est faible, la variation d’énergie entre deux points peut s’exprimer sous formede différence :

[8.2]E2 − E1∆x

=z2 − z1∆x

+y2 − y1∆x

+ 1∆x

α2gV2

2 − V12

ou de dérivée :

[8.3]dEdx

= dzdx

+dy

dx+ d

dxαV2

2g

La variation du niveau d’énergie est due à la perte de charge par friction hf et correspond à lapente de la ligne d’énergie (Sf) :

[8.4]dEdx

=hf

∆x= Sf

La variation de la cote z du fond du cours d’eau correspond à la pente du fond du cours d’eau(S0) :

[8.5]dzdx

= So

FRICTION 103

Dans l’équation [8.3], la vitesse peut être exprimée en terme du débitQ et de la section d’écou-lement A(y) qui est fonction de la profondeur d’écoulement :

[8.6]V = Q

A(y)

[8.7]d V2

dx= d

dx Q2

A2(y)= Q2 d

dx 1A2(y)

[8.8]d V2

dx= Q2− 2

A3(y) dA(y)

dy

dy

dx

[8.9]d V2

dx= − 2 Q2

A3(y)dA(y)dy

dy

dx

Après substitution et en considérant α = 1.0, l’équation [8.3] s’écrit :

[8.10]Sf = So+

dy

dx− Q2

g A3(y)dA(y)dy

dy

dx

[8.11]dy

dx=

Sf− So

1− Q2

g A3(y)dA(y)dy

Cette dernière équation est l’équation générale qui permet de déterminer la courbe de remous.

8.3 FRICTION

En considérant que la friction est uniquement fonction de la vitessemoyenne dans la section etque l’écoulement peut être considéré comme uniforme dans cette section infinité décimale, laperte d’énergie par friction peut être estimée par n’importe laquelle des équations de l’écoule-ment uniforme. En utilisant l’équation de Manning :

[8.12]V = 1n Rh23 Sf

12

[8.13]Sf =V2 n2

Rh43

= Q2 n2

A2(y) Rh43

L’équation [8.11] s’écrit alors :

[8.14]dy

dx=

Q2 n2

A2(y) Rh43 − So

1− Q2

g A3(y)dA(y)dy

104 COURBE DE REMOUS

8.4 CANAL TRAPÉZOÏDAL

Dans le cas du canal trapézoïdal, qui est le cas le plus fréquent, les paramètres suivants peuventêtre définis :

[8.15]A(y) = (b+ z y) y = b y+ z y2

[8.16]P(y) = b+ 2 y 1+ z2

[8.17]Rh =A(y)P(y)

=(b+ z y) y

b+ 2 y 1+ z2

[8.18]Sf = f1(y) =Q2 n2

A2(y) Rh43

=Q2 n2 b+ 2 y 1+ z2 43

[(b+ z y) y]103

[8.19]dA(y)dy

= b+ 2 z y

[8.20]f2(y) =Q2

g A3(y)dA(y)dy

=Q2 (b+ 2 z y)

[(b+ z y) y]3

Après substitution, l’équation [8.14] s’écrit :

[8.21]dy

dx=

f1(y)− So

1− f2(y)

8.5 CALCUL DE LA COURBE DE REMOUS

À partir de l’équation d’Euler explicite, la courbe de remous peut être calculée par différncesfinies en connaissant la profondeur d’eau en une section de référence.

[8.22]yx+∆x = yx+ ∆xdy

dxx

[8.23]yx+∆x = yx+ ∆x f1(yx)− So

1− f2(yx)

Pour améliorer la prédiction, une correction est effectuée en utilisant la méthode de Crank--Nicholson modifiée :

[8.24]yx+∆x = yx+ ∆x α dydx

x + (1− α)dy

dxx+∆x

EXEMPLE DE COURBE DE REMOUS 105

Lorsque α = 0,5,

[8.25]yx+∆x = yx+ ∆x

f1(yx)+f1(yx+∆x)2 − So

1− f2(yx)+f2(yx+∆x)2

Dans le cas des écoulements en régime fluvial, la courbe de remous est calculée de l’aval versl’amont. Lorsque l’écoulement est torentiel, la courbe de remous est calculée de l’amont versl’aval.

8.6 EXEMPLE DE COURBE DE REMOUS

La figure 8.2 présente les différentes courbes de remous et les vitesses à l’amont de la crête dudéversoir d’un seuil dissipateur d’énergie en fonction du type de déversoir (rectangulaire, tra-pézoïdal, sans restriction -- seuil épais) installé au--dessus de la crête. L’Utilisation d’un seuilsans restriction amène une augmentation de la vitesse d’écoulement à l’approche de la crête duseuil, vitesse qui dépasse la vitesse maximale. Le chapitre traitant des seuils dissipateursd’énergie reprendra plus en détail les choix d’aménagement.

106

Figure 8.2 Courbes de remous et vitesses à l’amont de la crête d’un seuil dissipateurd’énergie en fonction du type de déversoir utilisé (rectangulaire, trapézoïdal,sans rectriction -- seuil épais).

CHAINAGE (m)

CHAINAGE (m)

Cote(m

)Vitesse(m

/s)

COURBE DE REMOUS

VITESSE

107


8.1. Vous avez un cours d’eau trapézoïdal possédant une base de 1,0 m de largeur, une pentedes talus de 1,5:1, une profondeur de 0,9 m et une pente de 0,001. Le débit de design estde 1,0 m3/s. Le sol est un loam argileux. Un ponceau doit y être installé.

a ) Déterminez la profondeur normale d’écoulement du cours d’eau,

b ) Si le ponceau crée une hauteur d’eau à l’entrée du ponceau de 0,85 m, détermi-nez la courbe de remous à l’amont du ponceau,

c ) Déterminez la zone d’influence du ponceau,

d ) Un ponceau doit être installé à 300 m à l’amont de votre ponceau, quelle est lahauteur d’eau tolérable à l’entrée de votre ponceau si vous ne voulez pas quevotre ponceau influence l’écoulement dans le ponceau à l’amont.

8.2. Vous avez un cours d’eau trapézoïdal possédant une base de 1,0 m de largeur, une pentedes talus de 1,5:1, une profondeur de 1,0 m et une pente de 0,003. Le débit de design estde 2,0 m3/s. Le sol est un loam argileux. Un ponceau doit y être installé.

a ) Déterminez profondeur normale d’écoulement du cours d’eau,

b ) Si le ponceau crée une hauteur d’eau à l’entrée du ponceau de 0,85 m, détermi-nez la courbe de remous à l’amont du ponceau,

c ) Déterminez la zone d’influence du ponceau,

d ) Un ponceau doit être installé à 300 m à l’amont de votre ponceau, quelle est lahauteur d’eau tolérable à l’entrée de votre ponceau si vous ne voulez pas quevotre ponceau influence l’écoulement dans le ponceau à l’amont.

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 = maxyo, 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

Hav = maxyo, H+ yc2


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

Hav = maxyo, H+ yc2


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

Tuncok, I.K. et L.W.Mays. 1999.HydraulicDesign of culverts and highway structures.Dans:May, L. W. (éd.) Hydraulic design handbook Ch--15. McGraw--Hill Handbook, New--York.

MTQ. 1995. Manuel de conception des ponceaux. Service de l’hydraulique, Ministère destransports, Gouvernement du Québec, Québec (édition 1995).

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

U. S. Department of Transportation. 2005. Hydraulic design of highway culverts. U. S.Department of Transportation -- Federal Highway Administration. HDS No 5. Publica-tion No FHWA--NHI--01--020. National Highway Institude.

BIBLIOGRAPHIE 129


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

CHAPITRE 10Érosion et conservervation des sols

10.1 INTRODUCTION

La fonte rapide des neiges et les pluies diluviennes provoquent parfois des phénomènes spec-taculaires d’érosion tels que l’apparition des ravins, le sectionnement d’une route ou l’affouil-lement d’un pont ou d’un ponceau. Généralement, les phénomènes d’érosion par l’eau sontréguliers et presque imperceptibles, mais leur action n’est pas moins dévastatrice à la longueque les quelques phénomènes spectaculaires que nous avons pu observer.

Il importe d’identifier deux principaux types d’érosion, l’érosion géologique et l’érosion accé-lérée. L’érosion géologique est le processus normal de dégradation de la rochemère, de forma-tion des sols, de leur destruction sous les conditions environnantes, tant climatiques que biolo-giques. Par ses activités et son intervention, l’homme accélère le processus de détériorationdes sols. On dit alors qu’il provoque une érosion accélérée qui s’additionne à l’érosion géolo-gique. Dans l’usage courant, le terme érosion fait généralement référence à cette érosion pro-voquée par l’homme qui est beaucoup plus importante que l’érosion géologique et qui dété-riore le milieu. C’est de cette érosion accélérée dont nous traiterons sous les aspects desprocessus, des effets, des mécanismes qui la provoquent, des facteurs qui l’influencent et desmesures qui permettent de la contrôler.

10.2 PROCESSUS ET EFFETS DE L’ÉROSION

10.2.1 Le processus

L’érosion est un processus selon lequel les particules de sol sont arrachées de leurmilieu, trans-portées par un agent de transport (l’eau, l’air) et déposées en un autre milieu. Ce processuspeut s’écrire:

ÉROSION = ARRACHEMENT→ TRANSPORT→ SÉDIMENTATION

146 ÉROSION ET CONSERVERVATION DES SOLS

L’érosion se produit lorsque les forces d’arrachement en présence sur les particules de sol sontplus grandes que leurs forces de résistance. Le phénomène est d’autant plus important que ledéséquilibre est grand. La déposition survient lorsque les forces de transport sont plus faiblesque le poids des particules.

10.2.2 Les effets

Les effets de l’érosion se font sentir sur le milieu d’origine comme sur celui où se déposent lesparticules de sol. Ces effets sont d’ordres physique et chimique. Au niveau du milieu d’ori-gine, le plus grand effet de l’érosion est la perte de sol. Ces pertes sont d’autant plus néfastesqu’elles sont plus grandes que le taux de formation de la couche arable. Ce sol perd graduelle-ment son potentiel de production et la culture devient impossible après un laps de temps plusou moins long.

Ce sol enlevé devient à unmoment ou l’autre des sédiments qui envasent les cours d’eau et lesréservoirs. Ils amènent des nettoyages plus fréquents et nécessairement des coûts supplémen-taires. Lors de l’utilisation de l’eau d’un cours d’eau comme source d’alimentation, la pré-sence de sédiments oblige une plus grande filtration et des coûts additionnels.

Au niveau chimique, la perte d’éléments nutritifs (azote, potassium et phosphore) représenteune valeur économique importante. Les nitrates sont facilement emportés car ils sont très solu-bles. Quant aux phosphates, ils sont surtout liés aux sédiments. Connaissant le prix des engraischimiques, ces pertes peuvent être évaluées pour le Québec et la valeur de ces pertes monétai-res pourrait surprendre.

Ces éléments nutritifs sont une cause principale de pollution en diminuant la qualité de l’eau.La présence de phosphates stimule la croissance des algues. Certains herbicides ou insectici-des délavés peuvent atteindre des niveaux de toxicité élevés pour les utilisateurs éventuels.

10.3 MÉCANISMES PROVOQUANT L’ÉROSION

Les mécanismes provoquant l’érosion sont liés à l’énergie de la pluie ou à l’énergie de l’écou-lement de l’eau.

10.3.1 L’impact des gouttes de pluie

La goutte de pluie qui arrive au sol entre en collision avec les agrégats du sol (figure ) et formeun cratère. L’énergie de cette goutte de pluie est absorbée par la projection de ces agrégats, parla déformation ou le bris de ceux--ci (cas le plus fréquent), ou par les deux enmême temps. Lesprojections des particules de sol sont les éclaboussures, phénomène facilement visible aprèsune pluie au bas des murs ou sur la partie inférieure des tiges et des feuilles des plantes.

MÉCANISMES PROVOQUANT L’ÉROSION 147

Figure 10.1 Les étapes de la création d’un cratère lors de l’impact d’une goute de pluie sule sol (adapté de Mihara, 1952).

0 sec

11400

sec

1700sec

170sec

1400sec

1150sec

La force d’impact d’une goutte d’eau est égale à sa décélération multipliée par sa masse. Sonénergie est proportionnelle à samasse et à sa vitesse au carré. En chute libre, la vitesse de cettegoutte d’eau est d’autant plus grande qu’elle est grosse. Les gouttes de pluie possèdent unedistribution de grosseur qui dépend de l’intensité de la pluie (I). L’énergie d’une pluie (E) a étéévaluée par Wischmeier et Smith (1958) :

[10.1]E = 0, 1190+ 0, 0379 ln i

E = énergie cinétique ( MJ ha--1 mm--1)

i = intensité de la pluie (mm h--1)

Les particules de sol pulvérisées entrent facilement en suspension dans la lame d’eau à la sur-face du sol et elles ont deux choix :

si l’eau s’infiltre, elles seront déposées et formeront une croûte (phénomène de bat-tance) qui deviendra peu perméable lors de la prochaine précipitation.

si l’eau ruisselle, elles seront, pour un grand nombre, emportées par l’eau et le proces-sus dynamique d’érosion est amorcé.


10.3.2 La force d’arrachement de l’écoulementL’eau qui coule sur une surface exerce une force de traction qui essaie d’arracher les particulesde sol se trouvant sur son chemin. Cette force est proportionnelle au gradient de vitesse del’écoulement au contact de la surface:

[10.2]T = ∂V∂x

T = force de traction

∂V∂x

= gradient de vitesse

µ = viscosité

L’augmentation de la quantité de sédiments accroît la viscosité de l’eau et nécessairement cetteforce de traction. En un sens, l’érosion est génératrice d’érosion. Le gradient de vitesse pour unécoulement uniforme est généralement proportionnel à la vitesse d’écoulement. Cette vitessed’écoulement est influencée par la pente du sol, l’épaisseur de la lame d’eau et la rugosité de lasurface. L’équation de Manning montre bien l’importance de chacun des termes.

[10.3]EV = 1n Rh23 S12

V = vitesse d’écoulement (m s--1)

n = coefficient de rugosité

Rh = rayon hydraulique de la lame d’eau ou du canal en fonction de laprofondeur d’écoulement ”y”

S = pente hydraulique (m m--1)

10.3.3 Le transportLes particules arrachées peuvent être transportées de trois manières par l’écoulement :

a) en suspension : l’écoulement ou l’impact des gouttes de pluie sur la lame d’eau provo-que une turbulence quimaintient les particules fines en suspension. Cesparticules fines sont alors transportées sur de grandes distances.

b) par roulement : lorsque l’écoulement devient important, il peut arracher de plus grossesparticules mais ne peut les mettre en suspension. La force de l’écoule-ment les roule sur le fond.

c) par saltation : lorsque les particules sont de grosseurmoyenne, elles peuvent se dépla-cer par sauts successifs (saltation). Ce phénomène est surtout importantavec le vent.

10.3.4 La dépositionLorsque pour une raison ou une autre, la vitesse de l’écoulement diminue, le poids des particu-les devient plus important que les forces de turbulence ou de roulement et les particules sedéposent. Les plus grosses se déposent en premier et les plus petites par la suite.

TYPES D’ÉROSION 149

10.4 TYPES D’ÉROSION

10.4.1 L’érosion par l’impact des gouttes de pluie

Le processus de l’impact des gouttes de pluie a été décrit dans la section 10.3.1. En général,c’est l’une des formes d’érosion les plus importantes en termes de dégradation du sol. SelonSchwab et al. (1966), le sol éclaboussé est de 50 à 90 fois plus important que le sol emporté parl’écoulement. L’impact des gouttes de pluie peut projeter une particule de sol à plus de 1.5mdeson point d’origine.

10.4.2 L’érosion en nappe (sheet erosion)

L’eau qui ruisselle en unemince lame à la surface du sol arrache les particules de sol commeunemince couche uniforme (une nappe) et les entraîne. C’est un concept plutôt idéalisé car l’eau seconcentre rapidement dans les micros dépressions pour provoquer l’érosion en rigoles.

10.4.3 L’érosion en rigoles

Les micros dépressions du terrain causées par les raies de labour et les sillons plus ou moinscreusés par le semoir ou le planteur provoquent rapidement la concentration de l’eau qui ruis-selle. Cette concentration de l’écoulement augmente le débit, la vitesse d’écoulement et lesforces d’arrachement. Avec l’arrachement du sol, ces micros dépressions s’accentuent pourformer des rigoles. L’érosion en rigoles est considée tant que les rigoles creusées peuvent êtreréparées par les opérations normales de travail du sol.

10.4.4 Le ravinement

Par la suite, l’eau des rigoles se concentre avec leurs sédiments dans de plus grandes dépres-sions topographiques ou les talwegs du terrain. Avec les grandes vitesses d’écoulement, lesmasses d’eau importantes et la faible résistance du sol, le sol peut être profondément entaillé.Le processus survient généralement comme ceci:

1. unemodification dans l’environnement (changement des cultures, modifications desaménagements) et des pluies importantes occasionnent des débits et des vitesses plusgrands que normalement. Alors, la végétation et le sol de l’horizon de surface sontgraduellement arrachés. Le phénomène de ravinement vient de s’amorcer;

2. les horizons inférieurs étant en général de résistance plus faible que celui de surface,le phénomène s’accélère à un rythme considérable. En général, le processus s’amorceen un point où la pente change pour s’accroître;

3. après un certain temps, le ravin atteint un nouvel équilibre, se stabilise et la végétations’y installe pour le consolider. Mais les dégâts sont faits.


10.4.5 L’érosion dans les cours d’eau

Dans les cours d’eau, l’érosion est de deux types. Le premier est causé par les grandes vitessesd’écoulement qui arrachent le matériel de faible résistance sur le lit du cours d’eau. Ledeuxième est dû à l’instabilité mécanique des talus qui s’effondrent dans le lit et dont le maté-riel est emporté. Ces processus sont décrits au chapitre 4.

10.4.6 Une classification réaliste et pratique

L’érosion en nappe ne se produit presque jamais. Localement l’érosion provoquée par l’impactdes gouttes de pluie est beaucoup plus importante que celle provoquée par la vitesse du filmd’eau. À la surface du sol, les vitesses de chute des gouttes d’eau (6 à 10 m/s) sont générale-ment beaucoup plus grandes que celles de l’écoulement de la lame d’eau (0,3 à 0,5 m/s)(Schwab et al, 1966). À cause des micros dépressions, l’écoulement cherche à se concentrer sibien que l’érosion par rigoles apparaît rapidement. Au niveau de la parcelle, ces trois formesd’érosion (si nous acceptons le concept d’érosion en nappes) sont très liées et très difficiles àséparer. Pour cette raison, la classification suivante est propososée :

l’érosion de surface (ou au champs) qui inclut l’érosion par les gouttes de pluie et parrigoles et le concept théorique d’érosion en nappe;

le ravinement;

l’érosion dans les cours d’eau.

10.5 FACTEURS INFLUENÇANT L’ÉROSION HYDRIQUE

10.5.1 La nature du sol

Le facteur sol le plus important est la résistance (stabilité) des agrégats à l’impact des gouttesde pluie. Cette résistance ou cette stabilité est influencée positivement par la présence d’agentsliants tels que les argiles, la matière organique et le calcium. Ainsi, les sols de texture limo-neuse sont généralement plus sensibles que les sols argileux à cause de leur faible stabilitéstructurale. Au niveau de la stabilité des agrégats, la matière organique est un des facteurs lesplus importants. La grosseur des agrégats ou des particules de sol joue un rôle primordial. Plusils sont gros, plus ils sont difficiles à briser et plus ils sont difficiles à transporter.

La porosité du sol influence indirectement le potentiel d’érosion des sols. Une plus grandeporosité favorise une plus grande infiltration et un volume de ruissellement moindre, ce quidiminue les possibilités d’érosion. Lorsque le sol possède une plus grande capacité de stoc-kage de la pluie, cela diminue le volumede ruissellement et l’érosion. Cette capacité est favori-sée par une plus grande épaisseur de la couche arable, une teneur en eau faible avant la précipi-tation et la capacité intrinsèque de stockage du sol.

FACTEURS INFLUENÇANT L’ÉROSION HYDRIQUE 151

10.5.2 Le couvert végétal

Sur un sol nu, ce sont les particules de sol qui absorbent directement l’énergie des gouttes depluie. Par contre, un couvert végétal peut absorber une partie importante de l’énergie de lapluie.

Figure 10.2 Rugosité d’un canal enherbé (”bermuda grass” de longueur moyenne) possé-dant une pente de 5% (adapté de Ree, 1949).

TYPE D’ÉCOULEMENT

Faible Intermédiaire Élevé

Début de la submersion

Submergé à 30%

Submersiontotale

Épaisseur de la lame d’eau (pi)

Coefficientderugosité”n”

Face à l’écoulement, la présence de végétation augmente considérablement le facteur de fric-tion deManning. Tant que la végétation n’est pas submergée, le facteur de friction peut facile-ment être augmenté de dix (10) fois par rapport au sol nu (figure 10.2). Sous un autre aspect, lesystème radiculaire enlace considérablement les agrégats et accroît considérablement leurrésistance à l’arrachement. De plus, les racines sont un excellent apport de matière organiquepour le sol, ce qui augmente la porosité du sol, augmente l’infiltration et diminue le ruisselle-ment.

La végétation possède un taux d’évapotranspiration supérieur à celui d’un sol nu, ce qui contri-bue à diminuer les réserves en eau du sol et augmente sa capacité de stockage pour la pluiesuivante. Le ruissellement potentiel et l’érosion seront alors moindres.

Face à l’érosion, la végétation joue plusieurs rôles : elle absorbe l’énergie de la pluie, protège lesol et influence positivement les propriétés physiques du sol.

10.5.3 Les facteurs climatiques

Nous avons présenté précédemment le rôle important que jouent l’intensité de la pluie et sonénergie sur l’érosion. Le volume de précipitation joue un rôle similaire. En général, un plusgrand volume de précipitation provoque un plus grand volume de ruissellement et nécessaire-ment une plus grande érosion.


En climat sec ou chaud, où l’évapotranspiration est plus grande que les précipitations, le solpossède un plus grand déficit, ce qui augmente sa capacité d’absorber une précipitation etdiminue le ruissellement et l’érosion. Pour deux précipitations identiques, les conditionsmétéorologiques antérieures jouent un rôle important sur leur potentiel respectif d’érosion.Une longue période sans pluie augmente les capacités de stockage du sol et d’absorption de laprécipitation et diminue le ruissellement et l’érosion. Tous les facteurs qui influencent positi-vement l’évapotranspiration contribuent à diminuer le potentiel d’érosion. Une mauvaiserépartition des précipitations provoquent une concentration de celles--ci qui augmentent levolume de ruissellement et le potentiel d’érosion.

10.5.4 Les facteurs topographiques

La pente du terrain est le facteur topographique le plus important. L’influence première de lapente est l’augmentation des vitesses d’écoulement comme le montre l’équation de Manning(Eq. 10.3). Sur des pentes plus grandes, l’infiltration est plus faible et le volume de ruisselle-ment augmente. La longueur de la pente joue un rôle similaire. Elle augmente le volume deruissellement et ainsi l’érosion.

Les micros dépressions du terrain provoquent une concentration de l’écoulement qui aug-mente le potentiel érosif par rapport à un même volume de ruissellement coulant selon unelame uniforme. Par contre, les dépressions fermées limitent les effets de l’érosion en permet-tant aux sédiments en suspension de se déposer au lieu de poursuivre leur chemin.

10.6 MOYENS DE CONTRÔLE OU DE CONSERVATION

Sous notre climat humide où les précipitations sont plus importantes que l’évapotranspiration,nous ne pouvons empêcher le ruissellement et l’érosion de se produire. Tout ce que nous pou-vons faire est de minimiser cette érosion à un niveau acceptable par des mesures de conserva-tion (pour conserver le sol). Ce niveau acceptable peut être défini selon deux aproches, soit :

1. d’une façon physique où lesmoyens de conservation amènent une érosion du sol plusfaible que le taux de formation des sols;

2. d’une façon économique où les coûts des moyens de conservation sont compenséspar la diminution des coûts des dégâts, l’économie des engrais et la valeur du main-tien du niveau de productivité.

Quant à l’agriculteur, il doit envisager les mesures de conservation non comme un coût, maiscommemoyen d’augmenter ses revenus en diminuant sa facture d’engrais et en empêchant sesrendements de diminuer par le maintien du potentiel de productivité de ses champs.

10.6.1 Les principes de conservation

Pour minimiser l’érosion, l’homme ne peut intervenir que sur les facteurs affectant les condi-tions de surface (sol et végétation) et à un degré moindre sur les facteurs topographiques. Il nepeut intervenir (pour le moment) sur les facteurs climatiques.

MOYENS DE CONTRÔLE OU DE CONSERVATION 153

Comme l’érosion est générée par l’impact des gouttes de pluie et l’écoulement de l’eau quiruisselle, nous devons, si nous voulons laminimiser, intervenir sur ces deux causes. Pour avoirune action efficace, l’analyse des facteurs influençant l’érosion montre que les moyens d’in-tervention doivent favoriser un des objectifs suivants :

1. augmenter la stabilité et la résistance des agrégats;

2. absorber l’énergie de la pluie;

3. limiter ou ralentir les vitesses d’écoulement;

4. réduire le ruissellement en favorisant l’infiltration.

Les deux premiers ont un effet sur l’impact des gouttes de pluie et les deux derniers sur l’écou-lement. Nous devrions toujours avoir ces principes en tête lors de toutes nos interventions. Auniveau du champ, l’érosion peut être minimisée en intervenant au niveau de la régie des cultu-res et des sols, des méthodes de culture et des méthodes de conservation.

10.6.2 Régie des cultures et des sols

Par la régie des cultures, nous devons favoriser une végétation plus luxuriante et donner au solune plus grande stabilité structurale. Une série de mesures agronomiques bien connues peu-vent jouer ce rôle telles que la fertilisation, l’application de fumier et de chaux. La chaux estconnue comme jouant un rôle considérable sur la structure du sol. L’application de fumier, enplus d’apporter des éléments fertilisants comme les engrais chimiques, contribue à accroîtreou à maintenir le taux de matière organique. L’application de fumier peut facilement réduirel’érosion de 20 à 30%. Lemaintien du taux de matière organique est primordial. Ces mesuresfavorisant l’infiltration, diminuent le ruissellement, augmentent la résistance du sol et permet-tent d’absorber l’énergie de la pluie.

10.6.3 Les méthodes culturales

Le choix des méthodes culturales peut jouer un rôle important pour prévenir l’érosion. La pré-sence de résidus de récolte sur le champ protège le sol en absorbant une partie de l’énergie de lapluie, ralentit l’écoulement et offre une couche de protection entre le sol et l’écoulement.

Le choix de la période et des types de travaux du sol peut être important. Sur les sols couvertsde résidus ou de végétation, les labours de printemps (quand ils sont possibles) soustraient lesol nu de la fonte des neiges. Les techniques de travail du sol laissant desmottes plutôt grossiè-res en surface sont préférables à une pulvérisation fine desmottes. Ces grossesmottes sont plusdifficiles à briser par la pluie et offrent unemeilleure infiltration. Le degré de pulvérisation dessols est un point important à surveiller. Les techniques qui travaillent peu les sols telles que letravail minimum du sol et le no--till permettent de diminuer considérablement l’érosion carelles soustraient le sol de la possibilité d’être nu.

Les cultures herbagères de graminées ou de légumineuses sont très efficaces pour réduirel’érosion. Elles absorbent presqu’entièrement l’énergie de la pluie, favorisent considérable-


ment l’infiltration et ralentissent l’écoulement. De plus, elles contribuent à maintenir un tauxde matière organique élevé. Elles peuvent réduire l’érosion de 100 fois par rapport à uneculture continue de maïs. Leur introduction dans une rotation a un effet très bénéfique. Là oùl’érosion est sévère, elles sont souvent la seule solution avant le reboisement. Tout en étant unesolution très économique, elles apportent souvent des rendements aussi élevés qu’une culturede maïs où les rendements décroissent d’année en année à cause de la perte de fertilité causéepar l’érosion.

10.6.4 Les méthodes de conservation

Aucontraire desméthodes liées à la régie des cultures et desméthodes culturales, lesméthodesde conservation interviennent au niveau de l’organisation physique d’une parcelle et exigentune intervention technique.

10.6.5 Les cultures en contour

Pour empêcher l’eau de se concentrer dans les sillons laissés par le semoir ou les instrumentsde travail du sol, les travaux sont effectués en suivant les lignes de niveau. Alors, ces sillonssont perpendiculaires à l’écoulement normal et le billon entre les sillons devient un obstacle àl’écoulement qui est ralenti.

Pour être efficace, cette technique doit être utilisée avec soin. Elle exige la mise en place delignes de référence après un relevé topographique. Ces lignes de référence doivent être suffi-samment rapprochées pour que les labours suivent une pente située entre 1 et 2%. Le labour estla clef de tous les autres travaux et demande le plus d’attention. Les raies et les ados sont géné-ralement utilisés comme lignes de référence permanente. Pour labourer entre deux lignes deniveau, deux méthodes peuvent être utilisées et elles sont présentées à la figure 10.3.

L’opération des outils aratoires et autres équipements au travers du sens de la pente accroîtl’efficacité des machines d’environ 10% et amène une économie de carburant d’environ 10%(Schwab, 1966) car lesmachinesmontent peu de pente. Pour certaines récoltes telle que l’ensi-lage de maïs, un tracteur de 25 à 30 HP de moins peut être suffisant. Cette technique tout enétant peu dispendieuse réduit l’érosion de 30 à 50%. Par contre, elle devient moins efficace etmêmedangereuse pour les pentes supérieures à 10%. Alors le danger de ravinement croît prin-cipalement avec les cultures sur billon car le bris d’un billon amène un volume d’eau considé-rable et risque d’engendrer le phénomène d’avalanche ou de bris successif des ”digues” for-mer par les billons. Pour les cultures en rang, la culture selon les lignes de niveau est aussipratiquement limitée à des pentes de 10% car les machines deviennent plus difficiles àconduire à cause de la poussée latérale créer par la pente.


Figure 10.3 Méthodes de labour et travail du sol pour les cultures en contour (adapté deSchwab et al., 1966).

Labourez jusqu’à ce que la partie nonlabourée soit d’environ 9 m dans les partiesétroites.

Continuez de labourer les parties largesjusqu’à ce qu’il ne reste qu’une bande de9 m non labourée.

Labourez la bande restante.

MÉTHODE 1 MÉTHODE 2

En utilisant les rangs comme guide,commencez par labourerla partie irré-gulière en débutant à ce point.

Quand les parties labourées se rejoi-gnent, labourez d’une façon continue.

Continuez de labourer jusqu’à com-plétion de la bande.

10.6.6 Les cultures en bandes

En addition à la culture en contour, la culture en bande (figure 10.4) introduit des bandes enher-bées et/ou de culturesmoins susceptibles à l’érosion qui captent et retiennent les sédiments desbandes supérieures plus susceptibles à l’érosion. Le travail général de l’érosion sur la parcelleest ainsi ralenti.

Il existe trois méthodes de culture en bandes,

1. suivant les lignes de contour;

2. en bandes parallèles, possible sur les pentes régulières;

3. en bandes avec tampons enherbés.

Cette dernière est la plus facile d’utilisation.

La culture en bande est surtout utilisée avec la rotation maïs--céréales--foin--foin. Elle réduitl’érosion de 50 à 75 %. La culture en bande exige les mêmes études topographiques et un sys-tème de lignes de référence comparable à celui des cultures en contour. La largeur des bandesvarie généralement de 15 à 40 m dépendant des pentes et des régions.


Figure 10.4 Types de cultures en bandes (adapté de Schwab et al., 1966).

Direction des ventsdominants ou directionde la pente

a) Bandes suivant les lignes de contour. b) Bandes parallèles.

BANDETAMPON

BANDE

TAMPON

c) Bandes avec tampons enherbés.

10.6.7 Les terrasses

Le but des terrasses est de diminuer la longueur de la pente de l’écoulement en construisant unfossé intercepteur qui acheminera sécuritairement l’eau vers l’extérieur de la parcelle.

Il existe trois types de terrasse (figure 10.5),

1. terrasse en escalier;

2. errasse avec un fossé d’interception;

3. terrasse de conservation.

Le premier type est utilisé de concert avec l’irrigation des cultures et sert aussi bien de structured’irrigation comme de protection contre l’érosion. Le troisième est utilisé dans les régionssemi--arides pour conserver l’eau des rares précipitations et permettre une meilleure infiltra-tion dans la zone aplanie. Les terrasses avec fossés d’interception sont celles qui conviennent ànos conditions.

La largeur des terrasses est généralement déterminée à l’aide de l’équation universelle des per-tes de sol. Leur longueur maximale peut varier de 300 à 550 m. La pente du fossé intercepteurest généralement de 0.4%, mais peut varier de 0,1 à 2%. En aucun cas, les vitesses d’écoule-


Figure 10.5 Les types de terrasses.

0

0

30 m15 m

60 m30 m 90 m

7,5 m0 15 m

6 %

2 %

25 %

Excavation Remblais

a ) Terrasse avec fossé d’interception en Amérique du nord.

Horizontal

Horizontal oupente inverse

b ) Terrasse de conservation.

c ) Terrasse en escalier.

ment dans le fossé intercepteur ne doivent excéder les vitesses qui y provoqueraient l’érosion.Ces vitesses sont les mêmes que celles utilisées pour les cours d’eau et les canaux.

En général, ces fossés intercepteurs sont cultivés et la pente des talus doit être suffisammentfaible pour permettre la circulation des machines. La pentemaximale doit être alors de 4:1. Lapente des talus peut parfois être aussi faible que 12:1.

Ces fossés intercepteurs se déversent dans les voies d’eau enherbées ou protégées par la pierre.Le design des voies d’eau enherbées est présenté au chapitre 4. Le dimensionnement d’uncanal protégé par la pierre est identique à celui d’un cours d’eau.

En plus de l’effet de réduction de la longueur de la pente, le fossé intercepteur joue un secondrôle qui est d’intercepter les sédiments provenant de la pente. C’est ce qui accroît l’efficacitédes terrasses. Les terrasses réduisent l’érosion de 85 à 90% sur la parcelle. Par contre, sur lapente elle--même, outre de réduire la longueur d’écoulement, les terrasses ont la même effica-cité qu’une culture en contour ou même en bande lorsqu’elle y est cultivée en bandes.


10.7 LUTTE AU RAVINEMENT

Le ravinement est causé aux endroits où d’importants débits coulent. Lors d’un aménagement,il faut prévoir ces endroits et y installer des voies d’eau enherbées ou protégées par de la pierre.Les talwegs sont des emplacements idéaux pour ces voies d’eau. De plus, elles doivent êtreaménagées de la sorte que lemoindre obstacle ou le débordement n’amène l’eau à prendre unenouvelle direction pour y creuser un ravin.

Dans les conditions naturelles, le ravinement peut être souvent prévenu en maintenant unebonne végétation dans les voies d’eau naturelles et en surveillant le moindre signe demanifes-tation de points faibles et en les protégeant davantage.De chaque côté de ces voies d’eau, ils estessentiel qu’une bande de 3 à 5m soit enherbée pour retenir les sédiments, les empêcher d’em-plir la voie d’eau ou de contribuer à augmenter le pouvoir abrasif de l’écoulement.

Lorsqu’un ravin est créé, il incombe lorsque la situation le permet, de le combler, de compacterce sol, de l’ensemencer le plus tôt possible et de le recouvrir d’un paillis comme protectiontemporaire. Lorsque le comblement n’est pas possible, on doit l’aménager pour le stabiliser etl’empêcher de s’agrandir.

10.8 CONCLUSION

L’érosion des sols est causé par l’impact des gouttes de pluie et l’écoulement de l’eau qui ruis-selle. Pour lutter contre cette érosion, les moyens d’intervention devront:

1. augmenter la stabilité et la résistance des agrégats;

2. absorber l’énergie de la pluie;

3. réduire le ruissellement en augmentant l’infiltration;

4. imiter ou ralentir les vitesses d’écoulement.

Les sols étant la base de la productivité agricole, il importe de les protéger au niveau du champpar des régies adéquates de cultures et du sol, des pratiques culturales et des méthodes deconservation. La protection contre le ravinement réside dans le maintien de bonnes voiesd’eau enherbées naturelles ou construites.

BIBLIOGRAPHIE 159

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CHAPITRE 11Équation universelle des pertes de sol

11.1 INTRODUCTION

Les ingénieurs, les techniciens et les scientifiques ont toujours désiré pouvoir quantifier lesphénomènes qui les entourent pour mieux les évaluer, les prédire et mieux les contrôler. Laquantification des pertes de sol n’a pas échappé à ce phénomène et le tout a véritablementdébuté au début du siècle dernier, lorsque le problème de l’érosion devenait de plus en pluspréoccupant aux États--Unis.

Les premières parcelles de mesures ont été établies en 1914 à l’Université du Missouri. En1930, un programme systématique est lancé avec la création d’un réseau de stations de mesu-res de l’érosion à travers les États--Unis. De 1930 à 1950, 48 stations sont mises sur pied dans26 états. Les premières tentatives de création demodèles sont apparues en 1940 (Zingg, 1940).Ce n’est qu’en 1957 que Smith et Wischmeier (1957) présentent un modèle mathématiquecomplet de prédiction des pertes de soi connu sous le nom de l’équation universelle des pertesde sol (USLE Universal Soil--Loss Equation).

11.2 L’ÉQUATION UNIVERSELLE DES PERTES DE SOL

L’équation universelle des pertes de sol regroupe toutes les variables sous six facteurs majeurs(Wischmeier et Smith, 1965). Elle prédit les pertes moyennes de sol au champ, pertes qui sontoccasionnées par l’érosion de surface (érosion par l’impact des gouttes de pluie ou la battance,érosion en nappe et érosion en rigole). Elle s’exprime :

162 ÉQUATION UNIVERSELLE DES PERTES DE SOL

[11.1]Xa = R K L S C P

Xa = perte annuelle moyenne de sol (t ha--1 an--1)R = indice d’érosivité potentielle de la précipitation (MJ mm ha--1 h--1 an--1)K = indice d’érodibilité des sols à l’érosion hydrique (t ha--1 MJ--1 mm--1 ha h)LS = facteur topographique dépendant de la pente et sa longueurC = facteur de culture, incluant la régie des cultures et des sols et les prati-

ques culturales;P = facteur de conservation et d’aménagement.

Le modèle est présenté dans l’Agricultural Handbook N° 537 du U.S.D.A. (Wischmeier etSmith, 1978) et ses versions subséquentes.

11.3 INDICE D’ÉROSIVITÉ POTENTIELLE DES PRÉCIPITA-TIONS (R)

La précipitation joue un rôle premier pour provoquer l’érosion. Wischmeier et al. (1958) ontcorrélé plus de 40 facteurs climatiques oumétéorologiques (hauteur de précipitation, différen-tes intensités caractéristiques, les conditions antécédentes de précipitations ou d’humidité,etc.) et leur relation avec l’érosion sur des parcelles standards nues et cultivées dans le sens dela pente. La plus grande corrélation a été obtenue avec le produit de l’énergie de la pluie (E) etde l’intensité maximale de la pluie pour une période de 30 minutes (I30 ). Le taux de corrélationétait d’environ 90% (R = 0.90) et l’introduction d’autres variables accroissait très peu la préci-sion. De plus, cette nouvelle variable (E130) s’avérait indépendante des facteurs sols, topogra-phiques, de culture et de conservation.

11.3.1 La méthode du El30

La méthode E130 utilise les relevés des pluviographes pour les différents orages. Pour chaqueorage, la méthode calcule la somme des énergies par chaque portion de l’orage. Le E130 d’unensemble d’orages s’exprime ainsi :

[11.2]EI30 =nj=1

I30j mi=1

hj,i − hj,i−1 Ej,i

EI30 = indice d’érosivité potentielle de la pluie pour une période donnée(MJ mm ha--1 h--1)

I30 = intensité maximale de la pluie de durée de 30 min pour l’orage consi-déré (mm h--1)

h = hauteur totale de la pluie pour la durée considérée (mm)n = nombre d’oragesm = nombre de portions pour l’orage donnéeEj,i = énergie cinétique de la pluie pour la portion de l’orage “j” d’intensité

“i” (MJ ha--1 mm--1).

INDICE D’ÉROSIVITÉ POTENTIELLE DES PRÉCIPITATIONS 163

L’énergie cinétique de la pluie dans un orage (Wischmeier et al., 1958) s’exprime :

[11.3]Ei = 0, 1190 + 0, 0379 ln Ii

Ei = énergie cinétique de la pluie (MJ ha--1 mm--1).Ii = intensité de la pluie pour la durée considérée (mm h--1).

Deux méthodologies sont utilisées pour déterminer le E130. La première utilise directementles chartes des pluviographes et divise l’orage en intervalles variables où l’intensité pour cha-que intervalle est relativement constante. La seconde utilise les hauteurs maximales d’unedurée de 5 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, et 6 h. déjà déterminés par les services météorologi-ques pour chaque orage. Dans ce dernier cas, les hauteurs et les intensités considérées sontmutuellement exclusives de la précédente. Cette dernière méthode sous--estime l’énergietotale d’une précipitation et le résultat doit êtremultiplié par 1.04 (Wischmeier et al. 1958). Unexemple de calcul est présenté aux tableaux 11.1 et 11.2. Pour déterminer l’indiceR, leE130 estcalculé pour chaque année et la courbe de distribution de fréquence cumulée de ces E130annuels est tracée sur papier de probabilité correspondant à une distribution log--normale. LeE130 moyen ou l’indice R correspond à une récurrence de 2 ans. La série de données doit êtrepour une période minimale de 22 ans (Wischmeier, 1962).

Tableau 11.1 Exemple de calcul du EI30 pour un orage -- méthode des intensités constantes.

Heure h1Hauteurde pluie(mm)

h1 -- hi--1

(mm)

Temps

(min)

IIntensité

(mm/h)

EÉnergie

(MJ/ha--mm)

(h1 -- hi--1) E

(MJ/ha)

2h00 -- 3h30 1,2 1,2 90 0,8 0,111 0,133

3h30 -- 3h45 1,8 0,6 15 2,4 0,152 0,091

3h45 -- 3h55 3,6 1,8 10 10,8 0,209 0,376

3h55 -- 4h00 5,4 1,8 5 21,6 0,235 0,423

4h00 -- 7h00 6,4 1,0 180 0,3 0,073 0,073

7h00 -- 7h20 10,0 3,6 20 10,8 0,209 0,752

7h20 -- 8h00 10,4 0,4 80 0,6 0,100 0,040

I30 max = 8,4 mm h--1 (3h30 -- 4h00)

EI30 = 1,888 MJ ha--1 x 8,4 mm h--1 = 15,86 MJ mm ha--1 h--1= 1, 888


Tableau 11.2 Exemple de calcul du EI30 pour un orage -- méthode des intensités maximales.

Heure h1Hauteurde pluie(mm)

h1 -- hi--1

(mm)

Temps

(min)

IIntensité

(mm/h)

EÉnergie

(MJ/ha--mm)

(h1 -- hi--1) E

(MJ/ha)

5 minutes 1,8 1,8 5 21,6 0,235 0,424

15 minutes 3,6 1,8 10 10,8 0,209 0,377

30 minutes 4,2 0,6 15 2,4 0,152 0,091

1 heure 5,2 1,0 30 2,0 0,145 0,145

2 heures 5,6 0,4 60 0,4 0,084 0,034

6 heures 10,4 4,8 240 1,2 0,126 0,604

I30 max = 8,4 mm/h

E I30 = 1,675 MJ ha--1 x 8,4 mm h--1 x 1,04(1) = 14,86 MJ mm ha--1 h--1

1 Facteur de correction suggéré par Wischmeier et al. (1958) pour tenircompte des effets de distribution des intensités dans les orages.

= 1, 675

Le E130 est aussi intéressant, car il permet de classifier les précipitations et de comparer leurniveau potentiel d’érosion. Cet indice ne tient pas compte de l’érosion occasionnée par l’eauqui ruisselle lors de la fonte des neiges ou lors de précipitations de faible intensité mais de lon-gue durée et où le sol est saturé. Cette contribution à l’érosion est importante pour nos condi-tions nordiques. Un indice additionnel devrait être ajouté à celui de la pluie pour tenir comptede ce phénomène. Wischmeier et Smith (1978) suggèrent comme indice provisoire d’érosivitépotentielle de la neige, la hauteur de précipitation en pouces sous forme de neige. Madramoo-too (1988) multiplie l’indice R basé sur les précipitations par un facteur tenant compte de laproportion des précipitations annuelles sous forme de neige (N) pour obtenir l’indice R ajusté.

[11.4]Rajuste = R (1 + N)

11.3.2 Validité de la méthode du EI30 au Québec

L’équation universelle des pertes de sol a comme hypothèse que lorsque tous les facteursautres que la précipitation sont constants, les pertes de sol par érosion sont proportionnelles àl’indice d’érosivité potentielle de la précipitation R (ou EI30). Cette hypothèse a été validé parSalehi et al. (1991) en utilisant les données de trois années de parcelles d’érosion de sol à nu surla ferme expérimentale d’Agriculture Canada à Lennoxville (tableau 11.3). Les données sontconsidérées sur un base d’évènements individuels, regroupées par mois individuels et regrou-pées pour chaque mois pour les trois ans. Le tableau 11.3 montre un excellent coefficient decorrélation lorsque les données sont regroupées pour chaquemois pour les trois ans (R2 =0,87)et un faible coefficient de corrélation lorsque les données sont considérées individuellement.Cette conclusion est en accord avec le modèle qui a été développé pour prédire les moyennes àlong terme des pertes de sol par érosion.

INDICE D’ÉROSIVITÉ POTENTIELLE DES PRÉCIPITATIONS 165

Tableau 11.3 Coefficient de corrélation en leEI30 et les pertes de sol de parcelles de sol à nu àLennoxville (Québec) (Salehi et al. 1991)

Regroupement des données Nombre d’observations R2

Évènements individuels 38 0,15

Mois individuels 10 0,36

Chaque mois pour les trois ans 5 0,87

11.3.3 Une méthode approximative

Wischmeier (1962) compara l’indice E130 moyen avec plusieurs facteurs climatiques ettrouva une corrélation significative (R2 = 0.95) avec le produit des paramètres suivants, pourles régions à l’est du Mississipi : la précipitation moyenne annuelle (Pa) et les précipitationsd’une heure et de 24 heures pour une récurrence de 2 ans (Plh--2 ans etP24h--2ans ). Ainsi, l’équa-tion suivante peut être utilisée pour une bonne approximation :

[11.5]R = 1, 038 10−3 Pa P1h−2ans P24h−2ans

R = érosivité potentielle annuelle (MJ mm ha--1 h--1 an--1)

Pa = précipitation moyenne annuelle (mm)

Plh--2ans = précipitation d’une durée de une heure et de 2 ans de récurrence(mm)

P24h--2ans = précipitation d’une durée de 24 heures et de 2 ans de récur-rence (mm)

Madramootoo (1988) s’est penché plus récemment sur l’évaluation de l’indice R pour le Qué-bec. Son approche est basée sur les cartes disponibles de la fréquence des intensités des préci-pitations d’une durée de 6 h pour une période de récurrence de 2 ans, P2h--2ans (mm) dans lecalcul de l’indice R.

[11.6]R = 0, 417 P2,176h−2ans

11.3.4 L’indice R au Québec

Le traitement manuel pour déterminer les E130 annuels en différentes stations est une tâche detrop grande envergure en général. Une première estimation de cet indice au Québec est pré-senté à la figure 11.1, basée sur l’équation 11.5. Cette carte a été élaborée en combinant la carte19 (Ferland et Gagnon, 1967) et les cartes 18 et 40 (Ferland et Gagnon, 1974) par une méthodebasée sur l’intersection des isolignes. Deplus, nous avons effectué le calcul à partir de donnéesclimatiques locales en 55 stations et nous avons comparé ces résultats avec les précédents. Cesstations étaient surtout réparties dans le sud--ouest du Québec. Les résultats étaient compara-bles, sauf en trois stations (déviation de plus de 10%). De plus, sur la frontière Québec--États--Unis, nos résultats sont semblables à ceux présentés parClyde et al. (1978). Nous avons utilisé


Figure 11.1 Indice R d’érosivité annuelle des précipitations au Québec selon l’équation11.5 (pour obtenir les unités en MJ mm ha--1 h--1 an--1, multipliez par 17,01).

la précipitation totale annuelle en supposant que la fraction nivale apportait une contributionsemblable à celle de la pluie. C’est la moins mauvaise approximation que nous pouvions faire.Depuis, Well et al. (1983) ont présentés des cartes établissant l’indice R pour neuf provinces àl’est des montagnes Rocheuses. Madramootoo (1988) a aussi produit des cartes plus précisespour l’Ontario et le Québec (figure 11.2).

11.4 INDICE D’ÉRODIBILITÉ DES SOLS (K)

Le facteur ”K” exprime la vulnérabilité du sol à être érodé par la pluie. Ce facteur dépend despropriétés physiques et chimiques du sol (granulométrie, agrégation, stabilité structurale,porosité, teneur en matière organique, etc.).

Cet indice représente, pour une unité d’érosivité de la pluie, les pertes de soi d’une parcellestandard de 22.1 m (72.6 pi) de long, possédant une pente de 9%, labourée suivant le sens de lapente et maintenue en jachère (sol nue). Cet indice est déterminé expérimentalement sous desconditions de précipitations naturelles et de plus en plus sous des précipitations artificielles.

Cette méthode est dispendieuse et longue. Après plusieurs tentatives pour relier cet indice auxpropriétés du sol, Wischmeier et al. (1971) présente un nomogramme permettant d’évaluer cet

167

Figure 11.2 Indice de l’érosivité potentielle annuelle au Québec en MJ mm ha--1 h--1 an--1

selon Madramootoo (1988).

a) En négligeant les conditions nivales

b) En considérant les conditions nivales

168

indice avec une précision acceptable (±0,05 t ha--1 MJ--1 mm--1 ha h) pour treize sols duMidwest américain lorsque l’on possède la connaissance des cinq paramètres du sol suivants :% de limon et de sable très fin, % de sable (0.1 mm -- 2.0 mm), % de matière organique, lastructure et la perméabilité du sol. Ce nomogramme est présenté à la figure 11.3 et a été établisuite à l’analyse des résultats des nombreuses parcelles de mesures.

Figure 11.3 Nomogramme de Wischmeier pour estimer l’indice d’érodibilité des sols àl’érosion hydrique (adapté de Foster, 1981).

Une équation de régression a été établie pour estimer la valeur de K :

[11.7]K = 2, 8 10−7 M1,14 (12 −M.O.) + 0, 0043 (b− 2) + 0, 0033 (c− 3)

M = facteur granulométrique = (% limon + % sable très fin) (100 -- % argile)M.O = matière organique (%)b = code de la structure du sol (granulaire très fine : 1; granulaire fine : 2;

granulaire moyenne et grossière : 3; en blok ou massive : 4)c = code de la classe de perméabilité (rapide : 1; modéré à rapide : 2; modé-

rée : 3; lente à modérée : 4; lente : 5; très lente : 6)

Ce nomogramme est valable pour les États--Unis, mais sa validité au Québec peut être grande-ment affectée par les différences que possèdent nos sols. Salehi (1989, 1990) a mesuré l’indicede susceptibilité des sols à l’érosion K à l’aide de simulateurs de pluie pour quelques séries desols au Québec et ces mesures sont présentées au tableau 11.4. Le tableau 11.4 présente lesvaleurs mesurées avec unC de 1,0 et 0,35. Avec les simulateurs de pluie, une parcelle de sol nu

169

est utilisée et assumeun facteur de culture de 1,0. Par contre, comme le sol était en prairie avantla transformation en parcelle de sol nu, le facteurC devrait plutôt être d’environ 0,35. Commeles mesures d’érosion sur de vraies parcelles n’ont été réalisées que sur la station de recherched’Agriculture Canada à Lennoxville, nous n’avons qu’un seul point de comparaison. Ces par-celles ont un sol de la série Coaticook et la valeur moyenne de K mesurée sur trois ans est de0,067 t ha--1 MJ--1 mm--1 ha h, ce qui est prêt de la valeur 0,071 t h ha--1MJ--1 mm--1ha hutilisantun C de 0,35 et justifie l’utilisation de cette valeur pour l’estimation de K lorsque les simula-teurs de pluie sont utilisés. Le tableau 11.4 présente aussi la valeur estimée à partir du nomo-gramme. L’auteur a conclu que les valeurs de l’indiceK tel qu’estimé à l’aide dunomogrammede Wischmeier risquent d’être imprécises pour les sols du Québec. Les écarts entre les valeursmesurées et observées sont attribuées aux différences texturales et structurales entre les solsquébécois et les sols du Midwest américain. II faut toutefois noter que ces études préliminairesn’ont été conduites que sur quelques séries de sols.

Tableau 11.4 Indices d’érodibilité des sols à l’érosion hydrique (K) mesurés par simulateurde pluie et estimés par le Nomogramme de Wischmeier pour quelques sériesde sols au Québec (Salehi et al., 1993)

Série de sol % limon +sable très fin

% sable(0,1 -- 2,0 mm)

Matièreorganique

Indice de susceptibilité du sol(t ha--1 MJ--1 mm--1 ha h)

sable très fin(20 -- 100 µm)

(0,1 -- 2,0 mm) organique Simula-teur

(C=1,0)

Simula-teur

(C=0,35)

Nomo-gramme

Greensboro 67,5 20,4 4,7 0,012 0,034 0,036

Magog 61,4 28,0 6,2 0,009 0,026 0,022

Berkshire 73,0 17,4 6,7 0,022 0,063 0,025

Dufferin 66,8 18,7 2,0 0,027 0,077 0,052

Calais 66,4 24,4 6,1 0,078 0,223 0,025

Ascot 66,6 24,1 5,2 0,017 0,049 0,032

Sherbrooke 65,2 20,0 2,0 0,014 0,040 0,055

Sheldon 56,8 38,3 1,1 0,030 0,086 0,058

Coaticook 59,4 22,2 3,9 0,027 0,071 0,033

Danby 40,5 49,1 3,8 0,011 0,031 0,035

St--Nicolas 35,6 51,0 3,3 0,042 0,120 0,022

170

11.5 FACTEURS TOPOGRAPHIQUES (LS)

Ce facteur représente l’effet combiné de la longueur et l’inclinaison de la pente.

11.5.1 Pour une pente régulière

Suite à l’analyse de régression des résultats des parcelles d’érosion, Smith et Wischmeier(1962) établirent les relations suivantes pour le facteur ”L” :

[11.8]L = λ22, 1m

L = facteur de longueur de la penteλ = longueur de la pente (m)m = exposant, généralement 0,5

Et pour le facteur ”S”:

[11.9]S = 0, 065 + 0, 045 s+ 0, 0065 s2

S = facteur d’inclinaison de la pente;s = inclinaison de la pente (%).,

La longueur de la pente représente le trajet que peut faire l’écoulement depuis le haut de lapente jusqu’à une structure d’interception. L’influence de la longueur de la pente a été expéri-mentée pour des longueurs variant de 22.1 m à 192m, mais où seulement deux cas possédaientdes longueurs plus grandes que 44.2 m (82 m et 192 m) sur un total de 15 cas.

L’exposant ”m” est variable et est grandement influencé par les caractéristiques des sols, l’in-teraction pente--longueur et l’ampleur des tempêtes. L’influence de l’inclinaison de la pente aété expérimentée pour des pentes variant de 3% à 22%.

11.5.2 Pour une pente irrégulière

Pour les pentes irrégulières et complexes (figure 11.5), Foster etWischmeier (1974) ontmis aupoint une méthode pour évaluer le facteur LS. La pente est divisée en plusieurs tronçons et lefacteur LS calculé ainsi pour un exposant m de 0.5.

[11.10]LS = 1λe 22, 10,5

ni=1

Si λ1,5i

− Si λ1,5i−1

λe = longueur totale de la pente depuis le haut jusqu’au point d’intercep-tion

n = nombre de tronçonsλi = longueur depuis le haut de la pente jusqu’à la fin du tronçon ”i”λi--1 = longueur depuis le haut de la pente jusqu’au début du tronçon ”i”

FACTEURS TOPOGRAPHIQUES 171

Un nomogramme a été préparé pour simplifier les calculs (figure 11.4). Un exemple de calculest présenté au tableau 11.5 pour le cas présenté à la Figure 11.5.

Figure 11.4 Nomogramme de calcul du facteur LS pour les pentes complexes.

1 1052 20020 50 100

100

10

1

200

20

2

50

5

500

Longueur de la pente li (m)

ui=Si l

1,5

i

22, 1

2 %

10 %

6 %4 %

8 %

12 %

15 %

20 %

Figure 11.5 Pente complexe.

172

Tableau 11.5 Calcul du facteur LS pour la pente complexe de la figure 11.5.

Tronçon λi(m)

λi--1(m)

pente(%)

u2* u1* u2 -- u1 u2 -- u1λe

LS %**

1 50 0 5 34 0 34 0,28 0,28 13

2 90 50 8 153 63 90 0,75 1,03 35

3 120 90 11 378 245 133 1,11 2,14 52

257 2,14

*ui=Si λ

1,5

i

22, 1

** contribution de chaque tronçon

La méthode permet aussi de connaître les tronçons qui contribuent le plus à l’érosion et d’yconcentrer notre action. Dans ce cas, le tronçon no 3 contribue à plus de 50%de toute l’érosionde la pente. Le même nomogramme peut être utilisé pour calculer le facteur LS sur une penteuniforme.

11.6 FACTEUR DE CULTURE (C)

Le facteur de culture exprime l’influence des méthodes culturales et de la régie des sols et descultures sur les pertes de sol par érosion. Ce facteur incorpore les effets du couvert végétal de la

séquence des cultures, du niveau de productivité, de la longueur de la saison de croissance, desméthodes culturales, de la quantité de résidus laissés sur le sol et de la distribution de l’indicede l’érosivité de la pluie (R). Ce facteur est égal à l’unité pour un sol labouré et, maintenu enjachère. Pour permettre une évaluation plus significative, Wischmeier (1960) proposa de divi-ser la saison de végétation en cinq périodes bien définies :

0 Jachère Du labour à la préparation du sol.

1 Semis La préparation du sol et 1er mois après les semis.

2 Établissement Le 2e mois après les semis.

3. Croissance et maturation Du 3e mois après les semis jusqu’à la récolte.

4. Chaume De la période de récolte jusqu’aux labours.

Les nombreux sites de mesure aux États--Unis (10 000 années--stations accumulées en 1976)[En collaboration, 1977] ont permis de dresser un tableau des facteurs de culture pour différen-tes cultures (incluant la régie et les méthodes culturales) et correspondant aux différents stadesde la saison de végétation. Le tableau 11.6 présente les facteurs de culture tirés de Wischmeier(1965) pour quelques cultures d’intérêt pour le Québec. Le tableau 11.7 présente les valeursdes facteurs de culturemesurés sur les parcelles d’érosion de la station de recherche d’Agricul-ture et agroalimentaire Canada de Lennoxville et les compare aux valeurs proposées par leUSDA Handbook No 537 (Wischmeier et Smith, 1978) et reprises par le tableau 11.6. Lesvaleurs mesurées et celles proposée sont très comparables.

FACTEUR DE CULTURE 173

Tableau 11.6 Facteurs de cultures (C) pour quelques pratiques culturales et rotations typi-ques (Wischmeier et Smith, 1965).

Culture, rotation, méthode culturaleFacteur C x 100 pour le stade de culture

Culture, rotation, méthode culturale0 1 2 3 4L1 4R2

MAÏS1ière année après foin, méthode conventionnelle 17 35 19 12 18 40

après foin, labour de printemps et semis direct -- 10 10 7 18 40

2ième année après maïs--grain & foin, méthode conventionnelle 39 58 41 22 26 --

après maïs ensilage & foin, méthode conventionnelle 67 72 51 24 -- 65

après maïs--grain & foin, labour de printemps -- 32 32 13 26 60

3ième année ou 4ième année de mais après foin ou2ième année de mais après céréales après maïs--grain, culture conventionnelle 52 73 54 29 40 --

après maïs ensilage, culture conventionnelle 82 87 60 30 -- 70

aprèsmaïs ensilage, 20 t/ha de fumier, culture conven-tionnelle

67 77 52 28 -- 62

après mais--grain, semis direct -- 45 45 17 40 --

no--till -- mais--grain -- 7--20 7--16 7--9 7--15 --

CÉRÉALES GRAINÉES après foin 17 35 19 6 3 --

après 1 an de maïs ensilage ou céréales (paille enlevée) 60 65 42 6 3 --

après 1 an de maïs--grain ou céréales (paille laissée) 35 51 34 5 3 --

après2 ansdemaïs ensilage oucéréales (paille enlevée) 65 70 45 7 4 --

après 2 ans de maïs grain ou céréales (paille laissée) 55 70 45 7 4 --

CÉRÉALES NON GRAINÉES (culture conventionnelle) idem 10--12 10--12 20

FOIN implantation idem céréales grainées

graminées et légumineuses (1 an et plus) 0.4

luzerne (1 an et plus) 0.6

POMME DE TERRE 1 et 2ième année après céréales 55 66 60 28 40(3) 70

3ième année 70 76 64 32 40(3) 800 Labour1 Semis (1er mois après les semis)2 Établissement (2ième mois après le semis)3 Croissance et récolte4 Chaume

(1) Les résidus sont laissés ( mais--grain)(2) Les résidus sont enlevés (mais ensilage)(3) Défannage

174

Tableau 11.7 Facteurs de culture C mesurés sur les parcelles d’érosion de Lennoxville(Salehi et al. 1991)

Système de culture Stade de culture Facteur C

Mesuré (±s) USDA Handbook

Prairie permanente 3 0,006±0,002 0,003

Maïs -- No till 2 0,03±0,01 0,01 -- 0,02

3 0,03±0,02 0,01 -- 0,02

Maïs -- conventionnel 2 0,73±0,21 0,72 -- 0,73

3 0,29±0,03 0,23

Pour tenir compte de la répartition inégale de l’érosivité des pluies durant l’année, le facteur deculture est calculé en pondérant le facteur de culture de chaque stade avec la contribution de cestade à l’indice annuel de l’érosivité de la pluie. Cette contribution de chaque stade est détermi-née avec la courbe relative de l’indice cumulatif de l’érosivité de la pluie (un exemple est pré-senté à la figure 11.6). Wall et al (1983) et Madramootoo (1983) ont déduit la contributionmensuelle de l’indice R pour le Québec (tableau 11.8). Le calcul s’effectue ainsi :

[11.11]C = 1mmj=1

4i=0

∆R Cij

∆R = pourcentage (%) de la contribution du stade ’i’ à l’indice annuel del’érosivité de la pluie

C = facteur de culture pour le stade ”i”

m = nombre d’années de la rotation

Figure 11.6 Distribution mensuelle de l’indice de l’érosivité de la pluie (R) pour quatrerégions américaines (A, B, C, D) (Adapté de Smith et Wischmeier, 1962).

MOIS

%DEL’ÉROISIONANNUELLE

FACTEUR DE CONSERVATION 175

Tableau 11.8 Distribution mensuelle de l’indice d’érosivité potentielle pour l’est du Canada.

Région / localitéPourcentage mensuel de l’indice R

Région / localitéJ F M A M J J A S O N D

Sud--ouest de l’Ontario 1

(long. 85--80)4 4 4 9 7 13 17 14 11 7 5 5

Est de l’Ontario et Ouest duQuébec 1 (long. 85--80)

0 0 5 10 8 15 19 16 13 8 4 2

Montréal 2 0 0 0 6 5 17 19 22 15 9 7 0

Lennoxville3 0 0 0 2 10 15 25 32 11 4 1 0

Est du Québec 1 (long. 85--80) 0 0 8 11 10 14 18 16 9 8 6 01 Source : Madramootoo (1988)2 Source : Wall et al. (1983)3 Source : Salehi et al. (1991)

11.7 FACTEUR DE CONSERVATION (P)

Le facteur de conservation exprime l’influence des méthodes de conservation sur l’érosion. IIest égal à l’unité pour un sol cultivé dans le sens de la pente. Avec l’analyse des nombreusesparcelles où différents systèmes de conservation ont été expérimentés, les facteurs de conser-vation ont été déterminés et sont présentés au tableau 11.9.

Le facteur de conservation pour les terrasses ne considère pas le sol déposé dans le fossé d’in-terception comme perdu pour l’ensemble du champ. Si l’on veut considérer la perte de sol surla pente (entre les fossés d’interception), on utilise le facteur de culture en contour ou deculture en bandes selon le cas. L’implantation de terrasse modifie le facteur topographique.

Tableau 11.9 Facteurs de conservation recommandés et adaptés par Schwab et al. (1966) àpartir des travaux de Smith et Wischmeier. (1957, 1962)

Pente(%)

En Contour En bandes * Terrasse aveccultures en contour

Parallèles aux limitesdes champs

0,8** ---- ----

1 -- 2 0,6 0,30 ----

2.1 -- 4 0,5 0,25 0,10

4.1 -- 7 0,5 0,25 0,10

7.1 -- 12 0,6 0,30 0,12

12.1 -- 18 0,8 0,40 0,16

> 18 0,9 0,45 ----

* rotation de quatre ans : maïs, céréales, foin, foin** pour des pentes jusqu’à 12%

176

11.8 LIMITES DE L’ÉQUATION UNIVERSELLE DES PERTESDE SOL

L’équation universelle des pertes de sol n’évalue que les pertesmoyennes à long terme causéespar l’érosion de surface (pluie et ruissellement). Elle ne tient pas compte du ravinement, ni dela déposition dans les dépressions, les ”baisseurs”, les fossés ou les bordures des champs. Ellen’est pas conçue pour prédire les pertes de sol hors des champs. Elle ne peut pas prédire lespertes de sol d’une année particulière, d’une saison particulière ou d’un orage particulier.Maiselle peut prédire la moyenne normale à long terme pour des années semblables, pour des sai-sons semblables ou des orages semblables. Beaucoup d’autres variables secondaires peuventinfluencer les pertes de sol à court terme, mais leurs effets tendent à s’annuler à long terme.

L’équation universelle des pertes de sol a prédit les pertes annuellesmoyennes sur les parcellesexpérimentales américaines avec une déviation standard moyenne de 15% (0--40%) (Wisch-meier, 1976). La variation est énormément influencée par la longueur de la période d’observa-tion. Une période d’observation de 20 à 22 ans est considérée nécessaire.

11.9 UTILITÉ DE L’ÉQUATION

L’équation a été conçue pour être simple et facile d’utilisation. Elle peut être utilisée de plu-sieurs façons:

1. Elle peut prédire les pertes annuelles moyennes de sol pour une culture donnée, uneculture dans une rotation, une rotation et même pour un stade de croissance. C’estainsi que nous l’avons présentée.

2. Elle peut servir de guide dans l’établissement d’une régie des cultures ou des modes deconservation pour limiter l’érosion à un niveau acceptable :

[11.12]C P ≤Xtol.

R K L S

Xtol. = pertes annuelles tolérées de sol (t/ha)La connaissance du facteur CP maximal permet de déterminer les types de culture, lesrotations, la séquence des cultures et les régies acceptables pour une méthode de conser-vation donnée ou de déterminer la méthode de conservation nécessaire pour un systèmede production.

Aux États--Unis, les pertes de sol tolérées varient de 4 à 11 t/ha dépendant des régions etde l’épaisseur de la couche de sol. Cette limite correspond au taux de formation ou régé-nération du sol à partir de la roche mère. Pour le Québec, où le climat est froid et le tauxde formation des sols est plutôt lent, le maximum tolérable des pertes de sol ne devraitpas dépasser les 4 t/ha. Au Nouveau Brunswick, une valeur de 9 t/ha est communémentutilisée pour le design de structures de conservation (Daigle, 1989).

SA VALIDITÉ AU QUÉBEC 177

3. Elle permet d’estimer la réduction des pertes de sol suite aux changements que l’agricul-teur effectue.

4. Elle permet d’évaluer l’effet de l’intensification d’une culture sur les pertes de sol parérosion.

5. Elle permet d’évaluer la longueur critique d’une pente pour une culture donnée, soit ladistance entre les fossés intercepteurs :

[11.13]λ < 22, 1 Xtol.R K S C P

2

Aux États--Unis, l’équation universelle des pertes de sol est un outil que les techniciens et lesprofessionnels utilisent tous les jours.

11.10 SA VALIDITÉ AU QUÉBEC

L’équation universelle des pertes de sol est utilisée à plusieurs endroits dans le monde (En col-laboration, 1977). Le problème de l’utilisation de l’équation pour des régions extérieures auxÉtats--Unis n’est pas l’adaptation de l’équation aux conditions locales, mais l’obtention descoefficients locaux, représentatifs des conditions très variables d’une localité à l’autre.

AuQuébec, l’érosion nivale étant importante (Dubé etMailloux, 1969;Dubé, 1975) un coeffi-cient représentatif de ce type d’érosion devra être trouvé et additionné à l’indice de l’érosivitéde la pluie. De plus, la répartition mensuelle de l’indice de l’érosivité de la pluie devra êtredéterminée pour les grandes régions agricoles. L’analyse des quelques mesures d’érosion dis-ponibles (Dubé et Mailloux, 1969; Dubé, 1975; Mehuys, 1979) peuvent nous permettre dedériver quelques coefficientsC etK approximatifs, compte tenu des courtes périodes d’obser-vation (3 ans, 6 ans, 10 ans).

Dans les conditions actuelles et avec l’empirisme de nos coefficients, la variabilité de la pré-diction de l’équation serait de l’ordre de grandeur de 100%. Les recherches en cours doiventêtre poursuivies pour préciser les coefficients s’appliquant à nos conditions et nos régions.

11.11 CONCLUSION

L’équation universelle des pertes de sol est un modèle simple et pratique, tout en étant unexcellent moyen de planification dans la prévention de l’érosion. Son fonctionnement a étéprésenté. Pour qu’elle puisse être valablement utilisée au Québec, la recherche devra expéri-menter pour préciser les valeurs locales des coefficients de l’équation.

178

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CONCLUSION 181


11.1. Une des techniques pour évaluer la susceptibilité d’un sol à l’érosion (facteur K del’équation universelle des pertes de sol) est l’utilisation de simulateurs de pluie. Lors del’été 1986, nous avons entrepris d’évaluer la susceptibilité à l’érosion du loam argileuxSt--Nicholas de l’Île d’Orléans en utilisant cette technique. Ce sol est principalement uti-lisé pour la culture de la pomme de terre. Les essais ont été effectués sur trois parcellesayant des pentes respectives de 5.4%, 7.1%et 14.6%.Chaque parcellemesurait 4mètresde largeur par 5 mètres de longueur (sens de la pente). Chaque essais durait 30 minuteset était répété 4 fois pour chaque parcelle. Le simulateur de pluie générait une intensitéde 63 mm/h. Pour évaluer la quantité de sol érodée, le volume d’eau ruisselé ainsi quela concentration en sédiments étaient mesurés. Le tableau 11.10 présente les résultatsbruts.

Tableau 11.10 Essais d’érosion par l’eau pour le loam argileux St--Nicholas situe a St--Jean (Ìle d’Orléans).

Parcelle Pente(%)

Volume deruissellement

(litres)

Concentrationen sédiments

(g/L)Sol érodé

(kg)1 5,4 463 15,6 7,22

448 14,8 6,63576 13,1 7,55611 11,1 6,79

2 7,1 319 12,3 3,92490 13,4 6,57483 12,0 5,80508 11,8 6,00

3 14,6 499 31,9 15,9656 28,0 18,4668 26,4 17,6634 25,8 16,4

a ) Déterminez le facteur d’érodibilitê de la pluie (R) de l’équation universelle des pertes desol pour chaque essais.

b )Un essais équivaut à quelle portion du potentiel d’érosion d’une année pour cette localité?c ) Déterminez l’indice moyen d’érodibilité (K) de l’équation universelle des pertes de sol

pour ce sol.d ) L’analyse granulométrique de ce sol est de 20% d’argile, 25% de limon et 55% de sable

dont 3% de sable très fin, 6% de sable fin, 10% de sable moyen et 36% de sable grossier.Le%dematière organique est de %.Déterminez l’indice d’érodibilité (K) selon le nomo-gramme de Wischmeier et comparer le résultats avec l’indice mesuré.

e ) Quelle est la quantité potentielle de perte de sol si un agriculteur de l’Île d’Orléans culti-vait ce sol en pomme de terre d’une façon continue dans le sens de la pente? Ses champsont une largeur de 120 m, une longueur de 450 m et une pente de 6%.

11.2. Quel est l’effet sur l’érosion lorsque l’on passe d’un système de cultures herbagères (1an céréales -- 3 ans foin) à une culture intensive de mais ensilage?

182

11.3. A. Pesant, G. Mehuys et A. Dubé présentent quelques données (tableau 11.11) de pertesde sol au Québec dans leur conférence intitulée ”l’érosion des sols par l’eau au Québec”(Érosion et Conservation des sols -- 8ième Colloque de génie rural, tableau 2, page 72).

Tableau 11.11 Quelques mesures de pertes de sol au Québec

Traitement Sol érodé(kg/ha--an)

Loam Taillon, Saint--Coeur--de--marie sur pente de 18% (6 ans)Prairie permanente 3Foin (perpendiculaire à la pente) 11Foin (sens de la pente) 9Céréales (perpendiculaire à la pente) 150Céréales (sens de la pente) 500Sol nu 34000Loam sablo--graveleux Charlevoix, Cap--aux--Corbeaux sur pente de 15% (10 ans)Prairie 60Foin 560Céréales 3800Pomme de terre (perpendiculaire à la pente) 3300Pomme de terre (sens de la pente) 6000Sol nu 28100Loam argileux Coaticook, Lennoxville sur pente de 10% (4 ans)Prairie permanente 190Mais sur chaume (culture minimum, sens de la pente) 1000Mais continu (sens de la pente) 12700Sol nu 31100

a ) Si les parcelles d’érosion ont 15 m de longueur, évaluez l’indice de susceptibilité à l’éro-sion (K) pour le loam argileux Coaticook (Lennoxville), le loam Taillon et le loam sablo--graveleux Charlevoix en utilisant l’équation universelle de pertes de sol.

b ) Si l’analyse granulométrique du loam argileux Coaticook donne 20.5% d’argile, 57.7%de limon, 14.5% de sable très fin, 6.2% de sable fin et 1.1% de sable moyen et grossieret le contenu en matière organique est de 4.9%, comment se compare l’indice de suscepti-bilité à l’érosion (K) mesurée avec celui calculé par l’abaque de Wischmeier?

c ) Comment se comparent leurs données de perte de sol pour les cultures de prairie, de foin,de céréales, de pomme de terre, de mais continu et de mais sur chaume avec les valeursprédites par l’équation universelle des pertes de sol et les coefficients dérivées de larecherche américaine?

11.4. Pour un agriculteur résidant dans la région de Ste--Marie de Beauce,

a ) évaluez les pertes pertes moyenne de sol pour un champ possédant une pente de 8% etune longueur de 350m s’il cultive dumais ensilage dans le sens de la pente de façon conti-nue. Le sol est un loam graveleux Ste--Marie (sable (0.10--2.0 mm) :50%, limon et sabletrès fin: 30%, matière organique: 3%, structure granulaire fine, perméabilité modérée).

b ) est--il possible de cultiver ce en mais avec un niveau tolérable d’érosion? Si oui, com-ment? Si non, pourquoi?

CHAPITRE 12Concepts d’intérêt pour le design

12.1 INTRODUCTION

Lors de la construction d’ouvrages hydrauliques tels que cours d’eau, ponceaux et barrages,l’ingénieur doit choisir une récurrence pour déterminer le débit de design. Cette récurrence estgénéralement choisie en fonction de critères économiques, de sécurité et d’expériences anté-rieures et varie généralement entre 2 ans et 20 ans. Suite au grand orage qu’a connu la régiondu Saguenay en 1996, une question se pose: qu’arrivera--t--il à ces ouvrages s’ils rencontrentun orage correspondant à une très grande récurrence? C’est à cette question que va essayer derépondre cette présentation en présentant quelques approches.

12.2 FONCTIONNALITÉ ET PÉRENNITÉ

Deux aspects doivent être considérés lors de la conception d’ouvrages:

fonctionnalité : caractéristique de l’ouvrage qui doit être capable de remplir la missionpour lequel il est construit,

pérennité : caractéristique de l’ouvrage qui le rend capable de durer très longtemps etde résister aux événements extrêmes.

En hydraulique agricole, l’aspect fonctionnalité a été considéré dans le passé mais l’aspectpérennité a peu été considéré. Traditionnellement, les ouvrages ont été construits pour unerécurrence correspondant aux besoins économiques et auquel un coefficient de sécurité estajouté pour compenser pour les erreurs et pour palier aux plus grands débits qu’ils pourraientrencontrer. Au delà de ce coefficient de sécurité, comment se comportera l’ouvrage? Sera--t--ilcapable de résister aux grandes crues? Cet aspect est important lors de la conception d’unouvrage.

184 CONCEPTS D’INTÉRÊT POUR LE DESIGN

Pour des récurrences au--delà des conditions de design, deux situations peuvent se présenterdans la conception d’un ouvrage:

1. l’ouvrage ne devient plus fonctionnel mais ne présente aucun danger d’êtredétruit,

2. l’ouvrage risque de rencontrer des conditions critiques et d’être endommagé oudétruit.

L’ingénieur doit essayer d’éviter cette dernière situation.

Pour expliquer cette nouvelle approche de design, la construction de cours d’eau ou de voiesd’eau et de ponceau est examinée.

12.2.1 Cours d’eau et voies d’eau

Un cours d’eau construit avec une plaine d’inondation (figure 12.1) perdra une partie de safonctionnalité (prévenir les inondations) lors des crues de grande récurrence mais ne risquerajamais de problème de destruction si la vitesse maximale est respectée lors du design. Lesdébits de crue n’augmenteront pas la vitesse d’écoulement car le rayon hydraulique n’aug-mentera pas avec le niveau d’eau.

Figure 12.1 Cours d’eau avec plaine d’inondation.

Par contre, le cours d’eau de la figure 12.2 risque d’éprouver des problèmes pour les crues plusgrandes que les crues de design. Le rayon hydraulique et la vitesse augmenteront avec leniveau d’eau et la vitesse pourra dépasser la vitesse maximale sécuritaire. Alors, le coursd’eau risque de subir une érosion importante et entraîner l’amplification du ravinement. Pource dernier cas, l’ingénieur doit considérer son design pour des crues extrême.

La construction de canaux d’interception pour les terrasses illustre davantage le danger.Lorsqu’un canal d’interception (figure 12.3) reçoit un débit plus grand que celui correspon-dant à sa pleine section, il débordera. Comme le canal n’est pas construit avec une bordureuniforme, il se trouvera un endroit plus bas que les autres où le débordement commencera à seproduire. Ce débordement localisé amènera généralement la destruction du talus. Lamajorité

FONCTIONNALITÉ ET PÉRENNITÉ 185

Figure 12.2 Cours d’eau dans un ravin.

du débit s’échappera par cet échancrure nouvellement créée pour provoquer du ravinement etsouvent, une plus grande érosion (parfois catastrophique) que si la terrasse n’avait pas étéconstruite. Ici, les crues extrêmes sont dangereuses et doivent être considérées lors du design.

Figure 12.3 Canal d’interception.

12.2.2 Ponceaux

Le ponceau de la figure 12.4 n’est fonctionnel que pour de très faibles récurrences mais peutsupporter des débits de très grande récurrence car il gênera très peu l’écoulement. Par contre,le ponceau de la figure 12.5 risque d’être détruit lors des grandes crues. Lorsque le tuyau nefournira plus, le niveau d’eau s’élèvera à l’arrière du barrage et lorsque le niveau d’eau dépas-sera le niveau du tablier, tout le matériel de remplissage risquera d’être emporté. Le ponceausera alors détruit. Cette situation arrive très souvent.

186 CONCEPTS D’INTÉRÊT POUR LE DESIGN

Figure 12.4 Ponceau pour bas niveaux d’eau.

Figure 12.5 Ponceau barrage.

12.3 BRIS CONTRÔLÉ

Il existe une approche de design en mécanique qui pourrait être utilisée en hydraulique agri-cole; c’est le bris contrôlé. Cette approche a comme hypothèse qu’il est impossible de prévoirun design à toute épreuve et qu’alors, il est préférable de forcer le bris sur une pièce spécifiquequi n’entraînera pas la destruction de lamachine en sous dimensionnant cette pièce par rapportaux autres. En hydraulique agricole, nous pourrions prévoir les points de débordement et lesaménager pour qu’il puissent résister.

12.4 CONCLUSION

Cette présentation a voulu conscientisé l’ingénieur au sujet de concepts de pérennité et de briscontrôlé, concepts qui étaient surement présent dans le subconscient de beaucoup d’ingé-nieurs.

CHAPITRE 13Cours d’eau et écologie

13.1 INTRODUCTION

Les cours d’eau peuvent aussi être analysés d’un point de vue écologique, point de vue qui est loind’être négligeable compte tenu que les cours d’eau et leurs berges sont les sites d’une vie biologiqueintense et diversifiée. Les cours d’eau et leurs berges ont un impact économique souvent sous--estimécar ils sont les lieux de la reproduction de plusieurs espèces de poissons, d’oiseaux, de reptiles et d’in-sectes. Il suffit que de penser à la pêche à la truite, la chasse au canard. L’impact de l’aménagementdes cours d’eau ou des perturbations qu’ils peuvent subir n’est pas que local mais souvent régional.La diminution de la population de l’éperlan dans la région de Québec est attribuable en partie à ladégradation de la rivière Boyer et des sites de fraie. La reproduction du saumon de l’Atlantique esttributaire de la qualité des cours et des rivières dans lesquelles il fraie.

Les travaux de curage, de reprofilage et de redressement des cours d’eau réalisés au cours des annéespassées ont dénaturés plusieurs cours d’eau. Dans plusieurs cas, les cours d’eau ont été transformésen de véritables canaux d’écoulement sans tenir compte de leur caractère naturel et de leur rôle écolo-gique. De plus, les caractéristiques paysagères n’ont pas été prises en compte lors des projets d’amé-nagement de cours d’eau. Le texte qui suit est tiré principalement du chapitre 1 deVerniers (1995) et iltraite principalement des berges.

188

13.2 LA BERGE

La berge est la portion de terrain qui limite tout cours d’eau, elle est subdivisée en deux parties (figure13.1) ::

le pied de talus, qui est la zone soumise à l’action quasi permanente du courant et qui est situéesous le niveau moyen des eaux ;

le talus proprement dit, qui n’est qu’occasionnellement en contact avec le courant et qui est situéau--dessus du niveau moyen des eaux.

La limite inférieure de la berge est le point le plus bas du pied (fond du lit); la limite supérieure étant lepoint le plus haut du talus au--delà duquel on considère la plaine alluviale.

Ces limites déterminent ce que l’on appelle le lit mineur de la rivière.

La berge, c’est surtout la zone de transition entre lemilieu aquatique et lemilieu terrestre.De par cettesituation, elle possède une grande valeur écologique. En effet, la constitution d’une lisière augmentelu gamme des microhabitats favorisant de ce fait la diversité et la densité des espèces végétales etanimales.

Figure 13.1 La berge dans un cours d’eau (Verniers, 1995).

13.3 VÉGÉTATION DES BERGES

La végétation des berges et des rives est soumise à des conditions de vie très contrastées. Elle doits’adapter à des changements brusques, résister aux inondations, recoloniser des zones d’érosion, etc.

En cas d’inondations, les plantes courent le risque d’être emportées, déchaussées ou ensevelies sousles alluvions. Elles doivent donc présenter une grande capacité de régénération (ex. saules). Par

189

contre, aux basses eaux prolongées, les talus sont affectés par une forte dessiccation superficielle,c’est pourquoi les végétaux de ces milieux possèdent de longues racines allant puiser l’eau jusqu’à lanappe phréatique. Les sols des zones régulièrement inondées s’avèrent très riches en éléments nutri-tifs.

Les facteurs physiques locaux exercent une influence très visible sur la répartition des plantes. Àmesure que les terrains s’élèvent, la fréquence et la durée des submersions diminuent, et avec ellesl’apport des fertilisants et l’impact des crues, tandis qu’augmente la longueur des périodes sèches oùla végétation n’est pas perturbée. En conséquence, une zonation végétale s’établit (Imboden, 1976).

Cette zonation de la végétation (figure 13.2) depuis le milieu aquatique jusqu’au milieu terrestredépend principalement de la forme, de la pente et du substrat du talus de la berge mais aussi de laprofondeur des eaux, de leur richesse en éléments nutritifs, de la vitesse du courant et de l’éclaire-ment. Cette végétation et plus particulièrement les espèces arborescentes ou arbustives jouent denombreux rôles non négligeables à la fois vis--à--vis du milieu aquatique mais aussi par rapport auxzones terrestres adjacentes.

La ripisylve, formation végétale ligneuse et herbacée, transition entre lemilieu aquatique et lemilieuterrestre, est donc une zone particulièrement riche du point de vue biologique, grâce à sa diversifica-tion procurée par l’effet lisière.

La ripisylve consiste en un groupement de végétaux résultant de l’existence au sein du lit majeur defacteurs physiques tels que la vitesse d’écoulement des crues, la granulométrie des sédiments, la pré-sence de la nappe, la durée des inondations. Deux types forestiers la caractérise principalement :

les bois durs qui colonisent les régions élevées du lit majeur où l’inondation est de courte durée,en étiage l’eau reste accessible aux racines (frêne, orme, peuplier... ),

les bois tendres qui peuplent les régions basses où l’inondation est de plus longue durée, celle--ciexerce un effet sélectif très marqué (saule, aulne ... ).

Originellement, la plupart des rivières évoluaient à l’intérieur d’un large couloir occupé par unevégétation ligneuse bien adaptée aumilieu. Sa largeur était assez importante, ce qui lui permettait dejouer un rôle de tampon.

Actuellement, peu de rivières possèdent encore une ripisylve. Le défrichement des terrains en bor-dure de rivière, l’aménagement artificiel des berges, la progression des terres agricoles ont réduit oudétruit la ripisylve.

De plus, lorsqu’elle existe, cette zone n’est généralement pas entretenue; les arbres vieillissent etdépérissent. C’est le cas des têtards (saules) non taillés qui éclatent; des cépées d’aulnes qui prennentune ampleur démesurée menaçant la stabilité de la berge.

La ripisylve ne peut donc plus répondre à ses fonctions naturelles essentielles qui sont de :

fixer et stabiliser les berges des cours d’eau,

participer à l’équilibre biologique de la rivière.

190

Figure 13.2 Zonation végétale de la coupe d’un cours d’eau (Verniers, 1995).

13.4 FAUNE RIVERAINEL’effet de lisière, la densité et la diversité de la végétation au niveau espèces mais aussi au niveaustrates, la présence de l’eau, la variété desmicroclimats font que cemilieu riverain comporte aussi ungrand nombre d’espèces animales qui y trouvent un habitat de qualité (abris, lieux de reproduction) etune nourriture abondante.

Ainsi pour les insectes aquatiques, les végétaux aquatiques et semi--aquatiques des berges servent delieu d’émergence pour le passage du stade larvaire aquatique au stade adulte terrestre. Par la suite,c’est sur ces plantes que les insectes vont pondre leurs neufs.

Pour les populations piscicoles, la végétation riveraine (plantes, racines...) joue un rôle d’abri lors deconditions défavorables (crues) ou pour se protéger de prédateurs. C’est dans les zones riches en

191

végétation semi--aquatique que certaines espèces de poissons viendront pondre leurs neufs (brochetnotamment); les jeunes poissons ou alevins y trouvant des conditions idéales pour leur croissance etleur alimentation.

Les amphibiens, quand à eux, s’accouplent et se reproduisent dans les zones humides proches descours d’eau.

De nombreuses espèces d’oiseaux sont liées également au milieu riverain, certaines parce qu’ellesnichent dans les berges hautes en terre comme le martin--pêcheur ou l’hirondelle de rivage. D’autresparce qu’elles préfèrent les berges riches en végétation (canards, poules d’eau, foulques) ou les pla-ges de gravier (bergeronnette des ruisseaux).

Il faut souligner aussi que les vallées sont des ”corridors” de passage pour certains migrateurs, quipeuvent trouver au niveau des berges nourriture et abris pour se reposer.

Enfin, différents mammifères fréquentent les berges : le campagnol aquatique, le ragondin, le ratmusqué, peu apprécié pour les galeries qu’il construit.Mais ce sont sans conteste la loutre et le castor,espèces très menacées et quasi disparues de nos contrées, qui sont les plus exigeantes quant au cou-vert végétal de la bande riveraine.

13.5 MULTIPLES FONCTIONS DES BERGES NATURELLES

Selon Verniers (1995), les multiples fonctions des berges naturelles se définissent à plusieursniveaux.

Au niveau du bassin versant, elles se définissent :

rôle de régulation du micro--climat : en freinant l’évapotranspiration, en maintenant l’humiditéet en favorisant les pluies. La présence d’arbres réduit les écarts de température défavorablesaux cultures et aux élevages,

effets de régulation et d’assainissement des eaux, donnant aux pluies le temps de s’infiltrer dansle sol (pompage végétal) et limitant les risques de crues dans les cours d’eau.

Au niveau de la vallée, elles se définissent :

effet brise--vent freinant l’érosion éolienne et protégeant les cultures,

effet de ”haie” et de protection du bétail contre le vent, le froid et le soleil,

rôle de protection du sol contre l’érosion,

rôle paysager, pôle attractif pour le tourisme et les loisirs,

lieu de passage pour les oiseaux.

Au niveau du cours d’eau, elles se définissent :

apports exogènes de nourriture pour la faune aquatique,

rôle d’ombrage :

192

-- diminution des différences d’amplitude thermique;

-- réduction du développement de la végétation aquatique; protection contre l’érosion,

rôle de protection du sol contre l’érosion,

rôle paysager, augmentation de la diversité,

accueil pour un grand nombre d’insectes adultes à stade larvaire aquatique,

rôle des racines d’arbres et de plantes herbacées comme support de ponte et caches pour la fauneaquatique et les poissons en particulier.

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Verniers, G. 1995. Aménagement écologique des berges des cours d’eau -- techniques de stabilisa-tion. Presses Universitaires de Namur, Belgique, 77 pages.

CHAPITRE 14Cours d’eau et paysage

14.1 INTRODUCTION

Les cours d’eau jouent un rôle paysager important. Le texte qui suit est extrait de Aménage-ment écologique des berges des cours d’eau -- techniques de stabilisation par G. Verniers(1995) et il présente les éléments importants surtout associés aux berges.

14.2 RÔLE PAYSAGER DE LA BERGE

Outre son important rôle biologique, le milieu riverain est un élément essentiel et particulière-ment sensible de notre paysage. Dans les différentes méthodes d’évaluation du paysage, lescours d’eau sont associés à des valeurs de qualité souvent très élevées; l’attrait touristique etrécréatif de ces milieux le prouve à suffisance. Or, ce sont les berges qui identifient la rivièredans le paysage. Il est donc essentiel d’en tenir compte lors des aménagements.

Le paysage est un élément qui est surtout perçu de façon visuelle. Sa protection fait partie despréoccupations grandissantes que doivent intégrer les équipes qui travaillent à l’aménagementou à la restauration d’une rivière. C’est un élément du cadre de vie des habitants, des riverains,et un élément de valeur touristique essentiel, la rivière étant un lieu privilégié de loisirs.

Un cours d’eau est bien intégré au paysage lorsqu’il est, en surface et sous--eau, en état de rela-tion et d’échange équilibré avec lui. Cette insertion est réalisée, entre autres, aumoyen de pay-sages de transition caractérisés par une stabilité en profondeur et par des ceintures végétalesspécifiques et adaptées, correspondant aux particularités climatiques (Kirwald, 1974).

L’intégration est un concept général qui doit être pris en considération lors de toute interven-tion. Le contraire de l’insertion est l’artificialisation du cours d’eau, par exemple par la conso-lidation des rives et du lit par des ouvrages bétonnés ou empierrés, les plantations éventuellesn’étant plus ici qu’une parure étrangère au cours d’eau.

194 COURS D’EAU ET PAYSAGE

Ces considérations sont très importantes. Elles signifient qu’un cours d’eau ne doit être empri-sonné entre des berges maçonnées que uniquement là où cela s’avère absolument indispensa-ble.

14.3 CARACTÉRISTIQUES PAYSAGÈRES DE LA BERGE

La diversité des situations de berges (naturelles ou artificielles, en érosion, en équilibre ou ensédimentation, plantées ou non, en site rural ou en site urbain, etc.)montre qu’il ne peut existerune berge idéale mais des berges conçues idéalement pour chaque situation particulière envi-sagée et qui prennent en compte dans leur conception tous les facteurs qui s’exercent sur elles.

Dupoint de vue du paysage de la rivière, la berge remplit deux rôles, qui ne sont pas nécessaire-ment compatibles :

la berge est un élément du paysage, parmi d’autres bien sûr, mais particulièrement sensi-ble car il s’agit d’un élément de transition entre l’eau et la rive; ce lien ne peut être brutalet doit être progressif, il doit participer à la caractérisation et à l’identification du pay-sage de la rivière,

la berge est également un support de découverte par lequel les promeneurs découvrentde façon privilégiée les multiples facettes du paysage de la rivière.

La berge idéale doit assumer pleinement le premier rôle dans le contexte paysager où elle estétablie et le second, si le contexte social de la région le demande (ex. zone touristique, zoneurbaine...), et ce sans nuire au premier.

La distinction entre berges naturelles et berges artificielles se fait au niveau de chaque caracté-ristique paysagère, certaines réflexions étant applicables aux deux grands types de berges.

Les caractéristiques paysagères retenues comme représentatives de l’aspect paysager de laberge, comme quantifiables par des paramètres simples et comme intégrables dans la concep-tion de la berge sont les suivantes

la hauteur apparente de la berge (pour un plan d’eau moyen),

la pente de la berge,

le degré d’artificialisation des matériaux constitutifs et de leur mise en oeuvre,

le type d’aménagement du talus de berge,

la nature de l’aménagement du pied de berge,

la diversité longitudinale,

le recouvrement par la végétation.

CARACTÉRISTIQUES PAYSAGÈRES DE LA BERGE 195

14.3.1 Hauteur apparente de la berge

La hauteur apparente (Ha) de la berge est la différence de niveau entre sa crête et le plan d’eautel que montré à la figure 14.1.

Figure 14.1 Hauteur apparente de la berge.

Le principe de qualité lié à cette caractéristique est le suivant : plus une berge est proche duniveau de l’eau, plus sa qualité paysagère est grande car la rivière jouit d’une meilleure acces-sibilité et il y a un contact visuel direct entre l’eau et le spectateur. Dans le cas de berges artifi-cielles, il semble que 2m soient lemaximum acceptable (du point de vue impact paysager) carau--delà, l’aménagement artificiel devient fort visible et la sensation de relation directe avecl’eau s’amenuise.

14.3.2 Pente de la berge

La pente de la berge considère l’inclinaison par rapport à l’horizontale du talus de la berge(figure 14.2).

L’influence de la pente sur la qualité paysagère est fonction de la hauteur apparente de la bergeet de la nature de la berge (matériaux constitutifs et mise en oeuvre).

Si la hauteur est élevée, une pente faible accroît l’importance visuelle de la berge. Si l’aména-gement est strictement minéral, la qualité paysagère baisse ; si l’aménagement est écologique(plantations), à priori la qualité paysagère croît.

Si la hauteur apparente est faible (< 50 cm), la pente n’a guère d’importance du point de vuepaysager sinon pour la visualisation de la partie de berge sous une faible profondeur d’eau.


Figure 14.2 Pente de la berge.

Une berge à pente faible garnie de végétation favorise l’accessibilité et donne un ”plus” paysa-ger.

Il est préférable, quand le talus de la berge est long et de pente forte, de le scinder en plusieurspaliers (replats et versants de pente plus forte).

14.3.3 Degré d’artificialisation des matériaux constitutifs et de leur miseen œuvre

La végétation valorise la berge par ses formes douces et arrondies, par sa diversité, ses aspectsmultiples changeant avec les saisons. Elle constitue un complément qualitatif appréciablepour l’intégration (et non le camouflage) de certains ouvrages techniques.

Une première distinction sépare la végétation herbacée (hauteur maximum 100 cm) de lavégétation arbustive ou arborescente.

La première couvre des surfaces (ex. talus de berges, pan de mur, gazon, etc.) et influence latexture et la couleur de celles--ci.

La seconde, en fonction de sa hauteur, de son volume et de son implantation (en bosquet, iso-lée, en alignement, etc.) donne une dimension verticale à la berge, renforce la visibilité de larivière, crée des effets de transparence et de lisière et influence la perception générale du pay-sage.

L’une et l’autre participent à la stabilisation et au renfort du talus de la berge naturelle et éta-blissent un raccord harmonieux entre la rive et la rivière. Dans cette situation, la berge n’ appa-rait pas comme un élément du paysage, elle est uniquement un raccord progressif entre deuxmilieux qui se rencontrent.

CARACTÉRISTIQUES PAYSAGÈRES DE LA BERGE 197

Nous définissons le degré d’artificialisation des matériaux mis en oeuvre pour la constructiond’une berge, autre que naturelle, comme étant leur capacité à permettre la croissance dans unlaps de temps relativement court et le maintien d’une végétation herbacée couvrante. Celle--cine peut se développer que si des surfaces dégagées lui sont réservées ou si des interstices suffi-samment profonds lui permettent de s’enraciner solidement dans la berge.

Par le développement de ses racines, sa plus grande rigidité et sa meilleure prise au vent, unevégétation arborescentemal choisie et isolée peut mettre en péril la stabilité d’une berge cons-truite si elle se développe dans des interstices non prévus à cet effet. Par contre, certainesessences peuvent contribuer largement à la stabilisation de la berge sans nécessiter l’interven-tion d’autres matériaux.

Chaque type dematériaumis en couvre peut recevoir un degré d’artificialisation progressif enfonction du temps nécessaire à l’installation et au développement d’une végétation herbacée.

Une végétation de volume plus important peut être établie sur des banquettes ou dans des bacs.Cette naturalité ne tient cependant pas aux matériaux utilisés mais bien à la conception géné-rale de la berge qui est analysée au point suivant.

14.3.4 Diversité longitudinale

La qualité paysagère d’une rive dépend de la diversité des situations qu’elle présente sur unedistance donnée. Une trop grande uniformité sur un parcours le rend monotone et inintéres-sant.

Ainsi des berges sinueuses, comportant des encoches, des zones humides, des petites maresprésenteront une diversité écologique et paysagère bien plus importante.

On considère comme modifications de situation : une variation sensible de la hauteur de laberge, de la pente, desmatériaux, de la sinuosité, de la couverture végétale, des aménagementssupérieurs.

La diversité ne doit cependant pas aboutir à la ”cacophonie” des aménagements ; il est essen-tiel de maintenir à l’ensemble de l’ouvrage sa cohérence et sa lisibilité.

L’attention du promeneur doit être soutenue et le paysage doit offrir à son regard de nouvellessensations. L’aménageur alternera avec fruit et en fonction des sites traversés, des situationsdominantes et dominées, des situations de lisières, des plantations et des espaces dégagés.


14.4 CONCLUSION

En conclusion, la berge ”idéale” du point de vue de l’écologie et du paysage est une bergediversifiée, à hauteur apparente faible, en pente douce, à substrat naturel ou àmatériaux favori-sant un recouvrement maximal par la végétation.

C’est une berge qui doit assurer une bonne transition entre le milieu aquatique et le milieu ter-restre par le biais de sa zone littorale.

BIBLIOGRAPHIE

Verniers, G. 1995.Aménagement écologique des berges des cours d’eau -- techniques de stabi-lisation. Presses Universitaires de Namur, Belgique, 77 pages.

CHAPITRE 15Ressaut hydraulique

15.1 INTRODUCTION

Le ressaut est le principal moyen qu’utilisent les ouvrages hydrauliques pour dissiper l’énergie. Ceressaut est formé lors de la transition brusque d’un écoulement torrentiel à un écoulement fluvial.Durant cette transition une onde stationnaire se forme et l’énergie est alors dissipée par turbulence.Un rôle important des ouvrages sera donc d’amener l’écoulement du cours d’eau (généralement flu-vial) à un écoulement torrentiel afin que le ressaut puisse se former. Ceci est obtenu soit par l’écoule-ment sur une pente inclinée supérieure à la pente critique (chute inclinée), soit par la chute libre de lanappe d’eau (chute verticale).

Afin de bien dimensionner ces ouvrages hydrauliques, une bonne connaissance des caractéristiquesdes ressauts est essentielle. Celles--ci sont principalement les hauteurs d’eau en amont et en aval duressaut (hauteurs conjuguées), l’efficacité en terme d’énergie et la longueur nécessaire pour l’accom-plissement de ce ressaut. Ces caractéristiques seront d’abord évaluées pour un canal rectangulaire,puis une généralisation à d’autres types de canaux sera présentée.

15.2 RESSAUT DANS UN CANAL RECTANGULAIRE

De façon générale, le ressaut nécessite que certaines conditions soient rencontrées afin qu’il se réali-se. Ces conditions sont le respect de l’équation de continuité [15.1] et de l’équation deNewton sous laforme ”impulsion--quantité de mouvement” (équation15.2). De la figure 15.1a et pour un canal rec-tangulaire nous avons :

[15.1]V1 y1 = V2 y2

[15.2]12 g y21 + q V1 =

12 g y22 + q V2

200 RESSAUT HYDRAULIQUE

V1 et V2 = vitesses moyennes en amont et en aval du ressaut (m/s).

y1 et y2 = hauteurs d’eau en amont et en aval du ressaut (m)

ρ = masse spécifique de l’eau (kg/m3)

g = constante d’accélération gravitationnelle (m/s2)

q = débit unitaire (m3/s--m)

Figure 15.1 Ressaut hydraulique dans un canal rectangulaire.

La solution de ces équations est :

[15.3]y2y1

= 12 1 + 8 F2

1 − 1

F1 = nombre de Froude de l’écoulement torrentiel en amont du ressaut

y1 et y2 = hauteurs conjuguées du ressaut.

Le nombre de Froude est donné par l’équation suivante :

[15.4]F= V

g Al

V = vitesse d’écoulement (m/s)

g = constante gravitationnelle (9,82 m/s2)

l = largeur au miroir (m)

A = section d’écoulement (m2)

La figure 15.2 représente graphiquement la solution de l’équation 15.3.

201RESSAUT DANS UN CANAL RECTANGULAIRE

Figure 15.2RelationentreF1 et y2/y1pourun ressaut hydrauliquedansun canal rectangu-laire horizontal.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22F1

y2y1

y2y1

= 12 1+ 8 F12 − 1

F1 = V1 g y1

Il faut noter ici les points suivants :

1. Le ressaut ne se réalisera qu’à la condition que le niveau d’eau en aval y3 dans le canal soitsupérieur à la hauteur conjuguée y2. Ce niveau est souvent déterminé par l’ouvrage situé enaval du ressaut.

2. Dans les petits cours d’eau (Q < 10m3/s), les nombres de Froude varient généralement de 2à 6, ce qui entraîne des hauteurs y2 de deux à huit fois supérieures à y1.

La perte d’énergie et l’efficacité du ressaut sont calculés à partir de l’équation de l’énergie :

[15.5]y1 +V2

12g

= y2 +V2

22g

+ ∆E

∆E = perte d’énergie.

Des équations 15.1 et 15.5, nous trouvons :

[15.6]∆E= E1 − E2 =y2 − y1

3

4 y1 y2


L’efficacité de la dissipation η est alors :

[15.7]η = ∆EE1

= 1 −E2E1

Cette efficacité peut être évaluée de façon analytique et ne dépend que de F1. En effet, dans le cas ducanal rectangulaire, le rapport E2/E1 peut s’exprimer ainsi :

[15.8]E2E1

=8 F1

2 + 132

− 4 F12 + 1

8 F12 2 + F1

2

La figure 15.1b indique la transition effectuée sur le graphique d’énergie spécifique. La figure 15.3donne graphiquement le rapportE2/E1 en fonction deF1 (équation 15.8) ainsi que l’efficacité de dissi-pation η (équation 15.7).

Figure 15.3 Efficacité du ressaut.

E2E1

F1

η

Il est possible de distinguer différents types de ressaut. Pour 1 < F1 < 2,5, la turbulence est faible, etdonc l’efficacité de la dissipation est faible. Pour 2,5 < F1 < 4,5, un ressaut oscillant se forme et pro-duit des ondes de surface. Celles--ci rendent difficile la protection des berges en aval et ce,malgré uneefficacité de l’ordre de 35%. Pour 4,5 < F1 < 9, un ressaut direct, stable, présentant une efficacité de45 à 70%a lieu.Ce type de ressaut est recherché à cause de sa stabilité, de sa régularité et de la sécurité

203RESSAUT DANS UN CANAL RECTANGULAIRE

qu’il présente. Pour F1 > 9, le ressaut est très efficace (85%) mais produit également des ondes desurface nécessitant une protection importante des berges et ce, sur une grande distance.

Finalement, la longueur L sur laquelle s’effectue le ressaut détermine la longueur de protection qu’ilfaut assurer aux berges du cours d’eau ou encore la longueur du bassin de dissipation.Cette valeur n’apu être évaluée analytiquement, d’où l’utilisation de relations empiriques ou de courbes expérimen-tales. Ces dernières indiquent la variation du rapport L/y1 ou L/y2 ou L/(y2--y1) en fonction de F1. Lescourbes obtenues par le U.S. Bureau of Reclamation (Peterka, 1964) sont les mieux connues. Ellesdonnent le rapport L/y1 ou L/y2 (figure 15.4) en fonction deF1 .La courbe L/y2 est plus utile et présenteune portion presque constante dans la région des ressauts directs (4,5 < F1 < 9).

Figure 15.4 Longueur du ressaut en terme de y2 (adapté de Peterka, 1964).

F1 =V1

g y1

Ly2

Les hydrauliciens utilisent souvent une équation simplifiée représentant la longueur maximale Lmaxdu ressaut libre :

[15.9]Lmax = 6, 9 y2 − y1


15.3 RESSAUT DANS UN CANAL NON RECTANGULAIRELes caractéristiques du ressaut se formant dans un canal non--rectangulaire sont sensiblement diffé-rentes de celles obtenues dans la section précédente. Silvester (1964) a déterminé des solutions ana-lytiques pour calculer les hauteurs conjuguées et la dissipation d’énergie et une solution semi--empi-rique pour la longueur du ressaut. Cette section résume son travail pour les canaux rectangulaires,triangulaires, paraboliques et trapézoïdaux.

Reprenant l’équation 15.2 de Newton et l’équation 15.1 de la continuité, il en résulte pour un canalquelconque :

[15.10] g A1 k1 y1 + Q

Q

A1= g A2 k

2 y2 + Q

Q

A2

k1’ et k2’ = proportions des profondeurs y1 et y2 auxquelles se situent les cen-tres de gravité des sections A1 et A2.(figure 15.5)

Figure 15.5 Caractéristiques de la section d’un canal.

Cette équation nous amène à la solution générale pour les hauteurs conjuguées du ressaut :

[15.11]k2A2A1

y2y1

− k1 = F 21 1 −

A2A1

F1’ = nombre de Froude modifié

Le nombre de Froude F1’ modifié est évalué pour la profondeur d’eau y1 et non pour la profondeurhydraulique moyenne A1/l1 :

[15.12]F 21 =

Q2

A21 g y1

L’équation 15.11 peut être exprimée en fonction de y1, y2 et F1’ seulement pour les canaux rectangu-laires, triangulaires et paraboliques. Dans le cas déjà connu du canal rectangulaire :

205RESSAUT DANS UN CANAL NON RECTANGULAIRE

k1 = k2 = 12

A1A2

=y1y2

et l’équation 15.11 peut alors se ramener à :

[15.13]y22

y21− 1 = 2 F 2

11 −

y1y2

Il est à noter que pour le canal rectangulaireF1’=F1. Cette dernière équation est équivalente à l’équa-tion 15.3.

Pour le canal triangulaire,

k1 = k2 = 13

A1A2

=y21

y22

et l’équation 15.11, s’écrit :

[15.14]y32

y31

− 1 = 3 F 21 1 −

y21

y22

Dans le cas du canal parabolique,

k1 = k2 = 25

A1A2

= y1y232

et l’équation 15.11 s’écrit :

[15.15]y2y152

− 1 = 2, 5 F 21 1 − y1y2

32

Il est donc possible de déterminer le rapport des hauteurs conjuguées y2/y1 de ces types de canaux entrouvant les racines des équations 15.13, 15.14 et 15.15. Dans le cas du canal rectangulaire, la solu-tion à partir de l’équation 15.3 est explicite. Cependant, il est possible de déterminer ce rapport en

traçant graphiquement ces équations en fonction de F1’ (figure 15.6).

Le cas du canal trapézoïdal est plus complexe car le centre de gravité de la section d’écoulement, pourdeux débits différents dans un canal donné, n’est pas toujours situé à la même fraction de la profon-

deur d’eau (k1’ et k2’ ne sont pas égaux pour le même canal). Se référant au diagramme de la

figure 15.5, si b1’ et b2’ sont les largeurs équivalentes (ou largeurs moyennes), nous avons :


Figure 15.6Rapport entre les hauteurs conjuguées du ressaut pour différents types de canaux(adapté de Silvester, 1964).

F1

y2y1

[15.16]A1A2

=b1 y1

b2 y2

et l’équation 15.11 devient :

[15.17]k2y22

y21

b2

b1− k1 = F 2

1 1 −b1

b2

y1y2

Il est possible de montrer que :

k1 = 13 + 16 bb1

k2 = 13 + 16 bb2

Massey (1961) a défini un facteur de forme k pour le canal trapézoïdal :

[15.18]k= bz y1

207RESSAUT DANS UN CANAL NON RECTANGULAIRE

b = largeur au fond du canal (m)

z = fruit de la pente des talus

Selon cette définition, le facteur de forme k tend vers l’infini (k→∞) pour un canal rectangulaire et il

est égal à zéro (k = 0) pour un canal triangulaire. Le nombre de Froude F1’ peut alors être évalué enterme de k :

[15.19]F1 =

Q

z g y51

1

k+ 1

Étant donné que k1’, k2’, b1’ et b2’ sont fonction de y1 et y2, l’évaluation numérique des racines del’équation 15.17 est plus difficile à réaliser. Une résolution graphique à partir de la figure 15.6 s’avère

donc satisfaisante. Sur cette figure, le rapport y2/y1 est tracé en fonction de F1’ et ce pour différentesvaleurs de k.

L’efficacité de ces ressauts est évaluée analytiquement à partir de l’équation 15.7 qui devient sous saforme généralisée :

[15.20]η = ∆EE1

=2 − 2 y2

y1+ F2

11 −

A21

A22

2 + F2

1

Dans l’équation 15.20, le rapport des hauteurs conjuguées y2/y1 est déterminé par les équations 15.13,15.14, 15.15 et 15.17 pour les différents types de canaux et le terme entre parenthèses par :

[15.21]1 −A2

1

A22

= 1 −y21

y22(rectangulaire)

[15.22]= 1 −y41

y42

(triangulaire)

[15.23]= 1 −y31

y32

(parabolique)

[15.24]= 1 −b2

1y21

b22 y22

= 1 −k+ 1k+ y2

y1

y21

y22(trapézoïdal)

L’équation 15.20 est présentée graphiquementé à la figure 15.7 pour les divers types de canaux en

fonction de F1’. Cependant, la figure 15.3 peut toujours être utilisée pour le canal rectangulaire.

Contrairement aux rapports y2/y1, la longueur du ressaut ne peut être déterminée qu’à partir de rela-tions semi--empiriques. La longueur du ressaut pour le canal trapézoïdal est difficile à évaluer à causede courants qui remontent vers l’amont de chaque côté de la portion centrale du canal.


Figure 15.7Courbes théoriques de la perte d’énergie dans un ressaut selon différentes formesde canaux (adapté de Silvester, 1964).

F1

∆EE1

η

ou

Pour des facteurs de forme de k de 4, 8 et 16, Sylvester (1964) a obtenu les équations suivantes pour lalongueur du ressaut libre :

[15.25]Ly1

= 35 F1 − 1

0,836; k= 4

[15.26]Ly1

= 23 F1 − 1

0,885; k= 8

[15.27]Ly1

= 17, 6 F1 − 1

0,905; k= 16

Suite aux résultats théoriques et semi--empiriques obtenus, plusieurs points importants sont à retenir :

1. Les résultats ont été obtenus à partir d’un ressaut hydraulique libre, donc en négligeant le frot-tement sur les parois et en l’absence de structures connexes dans le canal lui--même (blocs,déversoir, élévation ou abaissement du fond, etc.).

2. Pour une valeur de F1’ donnée :

a) Le rapport y2/y1 diminue en passant du canal rectangulaire au canal trapézoïdal et aucanal triangulaire (figure 15.6).

b) L’efficacité de la dissipation d’énergie augmente en passant du canal rectangulaire aucanal triangulaire.

209LOCALISATION DU RESSAUT

c) La longueur du ressaut augmente du canal triangulaire, au canal rectangulaire et au canaltrapézoïdal.

3. Dans un canal trapézoïdal, le facteur de forme (k = b/zy) indique le degré de similitude avecle canal rectangulaire. Quand b >> zy, k est grand et le canal trapézoïdal se comporte commeun canal rectangulaire. Silvester (1964) considère le canal comme rectangulaire lorsquek ≥ 25.

4. La longueur de ressaut obtenue dans un canal trapézoïdal peut être de 2 à 3,5 fois supérieureà celle obtenue dans un canal rectangulaire pour la même valeur de F1’. La présence descontre--courants de chaque côté du canal trapézoïdal en aval du ressaut explique ce phénomè-ne. En effet, ceux--ci diminuent la force de pression disponible pour supporter le ressaut.

5. En conséquence du point 4, le ressaut libre dans un canal trapézoïdal sera très peu utilisé caril nécessite des protections sur de grandes longueurs. L’adjonction de structures connexespour favoriser le ressaut sera préférée et le dimensionnement sera basé sur la longueur du res-saut dans un canal rectangulaire pour la même valeur de F1’.

6. La présence de surface rugueuse rend le ressaut plus efficace et également plus court (Leu-theusser et Schiller; 1975 et Hughes et Flack; 1984).

15.4 LOCALISATION DU RESSAUT

La connaissance de l’endroit exact où se produit le ressaut après l’ouvrage de chute (inclinée ou verti-cale) est très importante. Si le ressaut est libre, cette position est déterminée par la hauteur de l’écou-lement y3 du cours d’eau en aval du ressaut. En effet, celui--ci ne peut avoir lieu que si la conditiondonnée par l’équation 15.3 ou par l’équation générale 15.11 est respectée. Trois cas peuvent alors seprésenter (figure 15.8) :

1. Si la hauteur de l’écoulement aval y3 et la hauteur conjuguée du ressaut y2 sont égales, alorsle ressaut s’effectue immédiatement après la chute et sa longueur L est calculée d’après lesrésultats des sections 15.2 et 15.3.Ce cas est idéalmais ne peut se présenter (sauf coïncidence)pour tous les débits rencontrés dans un cours d’eau.

2. Si la hauteur y3 en aval est inférieure à la hauteur conjuguée du ressaut y2, le ressaut se déplacevers l’aval. Ainsi immédiatement après la chute, l’écoulement sera torrentiel et graduelle-ment varié. La hauteur d’eau y1 avant le ressaut augmentera jusqu’à ce qu’elle respecte leséquations 15.3 ou 15.11. La hauteur d’eau sera alors y1’> y1 , la vitesse V1’< V1 et le nombrede Froude sera également plus petit. Connaissant la hauteur d’eau de l’écoulement aval y3(égale à y2 correspondant à la réalisation du ressaut), on calcule la hauteur y1’ à laquelle devraits’initier le ressaut. À l’aide des courbes de remous et de la valeur de y1 immédiatement aprèsla chute, la position à laquelle le ressaut s’effectue peut être calculée. Dans ce cas , la longueurtotale nécessaire à la réalisation du ressaut est supérieure à celle obtenue dans le premier cas(y3 = y2).

3. Si la hauteur d’eau en aval y3 est supérieure à la hauteur conjuguée du ressaut y2, le ressautest submergé (partiellement ou totalement). Dans ce cas également, la longueur nécessaireà la réalisation du ressaut est supérieure à celle obtenue dans le premier cas (y3 = y2). Cepen-dant, ce troisième cas est plus sécuritaire que le deuxième cas car le ressaut se forme en partiedans la région protégée du canal et n’est pas repoussée vers l’aval du canal.


Figure 15.8 Effet de la hauteur d’eau du canal en aval sur la position du ressaut (adapté deChow, 1959).

Cas 1 : y3 = y2

Cas 2 : y3 < y2

Cas 3 : y3 > y2

15.5 DÉBIT VARIABLE

Dans la section précédente, nous avons considéré une situation unique où le débit est fixe.Cependant,dans la majorité des cas qui nous intéressent, ce débit sera variable dans le temps. Il est utile de tracerles courbes de la hauteur y3 dans le canal aval et de la hauteur conjuguée du ressaut y2 en fonction dudébit. Nous distinguons cinq cas (figure 15.9).

Le cas 1 est le cas où la hauteur conjuguée est égale à la hauteur d’eau en aval (y2 = y3) quelque soit ledébit. Il s’en suit que le ressaut se formera toujours immédiatement après la chute et qu’il ne serajamais submergé. Cette condition n’est que très rarement rencontrée dans les cours d’eau naturels.

Le cas 2 est celui pour lequel la hauteur conjuguée du ressaut est supérieure à la hauteur d’eau aval(y2 > y3) pour tous les débits. Le ressaut se déplace donc vers l’aval du cours d’eau. Afin de mainte-

211RESSAUT SUBMERGÉ

Figure 15.9 Courbe de y2 et y3 en fonction du débit Q (adapté de Chow, 1959)..

Q

nir celui--ci dans la zone de protection, la création d’un bassin de dissipation à l’aide d’un déversoir(bassin en devers) ou de l’élévation du lit (bassin en dépression) sera nécessaire.

Le cas 3 présente une hauteur conjuguée toujours inférieure à la hauteur d’eau en aval (y2 < y3), doncdes conditions de submersion à tous les débits. Bien que le ressaut sera initié plus en amont que dansle cas 1, sa longueur pour un même débit sera plus importante et son efficacité moindre. Afin d’amé-liorer la situation, l’utilisation du ressaut sur un plan incliné (section 15.7) ou l’abaissement du lit ducours d’eau permettra d’assurer un ressaut court et efficace.

Les cas 4 et 5 présentent des situations mixtes. Dans le cas 4, un bassin de dissipation sera efficace àfaible débit et un ressaut sur plan incliné assurera l’efficacité à haut débit. Dans le cas 5, malgré lasubmersion à faible débit, un bassin de dissipation pourrait suffire à assurer une efficacité convenablepour tous les débits.

15.6 RESSAUT SUBMERGÉ

Un ressaut devient submergé lorsque la hauteur d’eau du canal en aval y3 est supérieure à la hauteurconjuguée de ressaut y2. Afin de quantifier cette submersion, le facteur de submersion S suivant peutêtre défini :

[15.28]S=y3 − y2y2


On notera que pour un ressaut libre, y3 égale y2 et S égal zéro. La submersion se produit fréquemmentlorsque le rapport h/yc est petit (< 1), donc lorsque la chute est faible ou lorsque le débit est élevé.

Malgré que le traitement analytique ne soit pas présenté, il importe de retenir à titre indicatif certainesconclusions auxquelles sont arrivés Rao etRajaratnam (1963) relativement à la longueur et à l’effica-cité du ressaut submergé.

Ces auteurs ont d’abord montré que la longueur du ressaut submergé varie linéairement avec le degréde submersion. Pour un canal rectangulaire cette relation est donnée par :

[15.29]Lsy2

= 6, 1 + 4, 9 S

Ls = longueur du ressaut submergé.

On constate que pour un ressaut libre non submergé, Ls/y2 égale 6,1, soit la valeur observée sur lafigure 15.4 pour des valeurs de F1 supérieures à 4,5.

Un autre résultat obtenu par ces auteurs est que pour une submersion donnée (S fixe), le rapport Ls/y2augmente avec une diminution de F1. Ainsi, pour des petits cours d’eau où F1 est faible, l’augmenta-tion relative de la longueur du ressaut submergé sera plus importante que pour un cours d’eau où l’onpeut obtenir des valeurs F1 plus élevées.

Finalement, bien que l’efficacité de dissipation du ressaut soit supérieure pour une légère submersion(S≅ 0,1 pourF1>5,0), les auteurs recommandent l’utilisation du ressaut libre à cause de sa plus faiblelongueur ou une légère submersion d’au plus 10% (S = 0,1). Cette submersion sera également unegarantie supplémentaire pour que le ressaut soit confiné dans la structure.

15.7 RESSAUT SUR PLAN INCLINÉ

L’utilisation d’un ressaut sur plan incliné est recommandé lorsque la hauteur d’eau en aval y3 estsupérieure à la hauteur conjuguée y2 du ressaut. Le ressaut sur plan incliné a été décrit par Chow(1959) et Peterka (1964) mais ne sera pas présenté ici car il est peu utilisé.

Seuls les points suivants concernant le ressaut sur plan incliné sont à retenir (Peterka, 1964):

1. Si les dimensions du bassin de dissipation obtenues sont respectées, la dissipation d’énergiesur plan incliné est aussi bonne que sur plan horizontal.

2. La hauteur conjuguée du ressaut sur plan incliné est supérieure à celle sur plan horizontal.

3. La longueur du ressaut sur plan incliné est supérieure à celle sur plan horizontal.

4. La longueur du ressaut effectué sur plan incliné et sur plan horizontal est la même que cellesur plan incliné seulement.

213BIBLIOGRAPHIE

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CHAPITRE 16Seuils dissipateurs d’énergie

16.1 INTRODUCTION

L’érosion du lit et des berges du cours d’eau survient lorsque les forces générées par l’écoulementsont supérieures aux forces stabilisatrices du cours d’eau. L’augmentation de la résistance à l’écoule-ment par l’enrochement ou la stabilisation des talus par l’implantation de végétation sont desmoyenspour diminuer cette érosion. Lorsque ces moyens s’avèrent inefficaces ou trop onéreux, l’utilisationde seuils dissipateurs d’énergie devient nécessaire.

Le design et la construction de ces ouvrages, afin qu’ils soient efficaces et sécuritaires, nécessitentune connaissance des principes de base. Le but de ce texte est de présenter les éléments théoriquespermettant d’effectuer un design approprié des seuils dissipateurs d’énergie.

Le design des seuils dissipateurs d’énergie a fait l’objet de plus de 50 publications. Ainsi, les élé-ments théoriques et pratiques ont été abondamment traités car les seuils sont des éléments hydrauli-ques essentiels dans la construction des déversoirs de sécurité dans les barrages. L’utilisation desseuils dissipateurs d’énergie dans les cours d’eau profitent de ces développements théoriques.

16.2 COURS D’EAU, DISSIPATION DE L’ÉNERGIE ET SEUILS

L’eau qui s’écoule dans un canal ou un cours d’eau doit dissiper son énergie potentielle à un rythmeproportionnel à la pente d’écoulement (figure 16.1). Cette énergie est dissipée par la friction de l’eauavec les talus et le fond du cours d’eau. Tant que les forces stabilisatrices sont plus grandes que lesforces d’arrachement provoquées par la friction, le cours d’eau ne s’érode pas. La notion de forced’arrachement s’exprime aussi en terme de vitessemaximale, terme bien connu des ingénieurs et destraités d’hydraulique.

Lorsque les forces d’arrachement sont plus grandes que les forces de résistance ou que la vitesse estsupérieure à la vitesse maximale, l’érosion du cours d’eau s’amorce et le cours d’eau se dégrade

216 SEUILS DISSIPATEURS D’ÉNERGIE

Figure 16.1 Schéma de l’écoulement dans un cours d’eau normal.

d’une façon plus ou moins importante. Lorsque cette situation se présente au niveau du design, lerayon hydraulique peut être diminué en diminuant la profondeur du cours d’eau et en l’élargissant.Cette situation a ses limites. Il est aussi possible d’augmenter la résistance du cours d’eau par l’enro-chement ou la stabilisation des talus avec l’implantation de végétation. Par contre, l’implantation devégétation au fond des cours d’eau est impossible. Si l’enrochement est techniquement réalisable, sescoûts sont un handicap à son utilisation à grande échelle.

Une autre approche existe et consiste à aménager le cours d’eau (figure 16.2) pour qu’il dissipel’énergie qu’il peut dissiper naturellement et à aménager à intervalles réguliers des structures hydrau-liques qui dissipent le surplus d’énergie. Ces structures sont des seuils dissipateurs d’énergie. Ainsi,la protection est concentrée en des endroits localisés représentant une faible portion du tronçon.Maintenant, l’étude des seuils dissipateurs d’énergie est justifiée.

Figure 16.2 Schéma d’un cours d’eau avec structure de dissipation d’énergie.

217COMPOSANTES ET TYPES DE SEUILS

16.2.1 Pente maximale

En supposant un écoulement uniforme entre les seuils et en considérant la notion de vitesse maxi-male, l’équation des vitesses de Manning permet d’exprimer la pente maximale de l’écoulement etdu fond entre les seuils :

[16.1]Smax ≤V2max n

2

Rh43

Smax = pente maximale de l’écoulement et du fond du cours d’eau (m/m)

Vmax = vitesse maximale d’écoulement (m/s)

n = coefficient de rugosité (s/m1/3)

Rh = rayon hydraulique de la section mouillée du cours d’eau (m)

16.3 COMPOSANTES ET TYPES DE SEUILS

Avant d’entreprendre l’étude théorique du fonctionnement des seuils dissipateurs d’énergie, il estnécessaire d’identifier les composantes et les principes de fonctionnement.

16.3.1 Composantes

La figure 16.3 présente les composantes d’un seuil dissipateur d’énergie dans une perspective dedesign. Un seuil est composé d’une zone d’approche, d’un déversoir, d’un coeur qui provoque unechute, d’un bassin de dissipation et d’une zone aval.

Figure 16.3 Schéma d’un seuil dissipateur d’énergie en terme de structure.

La figure 16.4 présente les écoulements rencontrés dans un seuil dissipateur d’énergie. En amont dela zone d’approche, l’écoulement est considéré comme uniforme avec une profondeur d’écoulementnormale yn. L’écoulement qui est alors fluvial y devient graduellementmodifié dans la zone d’appro-che. Il y devient critique au--dessus de la crête du déversoir (profondeur critique yc) avant de passer à


un écoulement torrentiel (supercritique) dans la zone de chute. Le ressaut hydraulique se forme dansle bassin avec les hauteurs conjuguées y1 et y2 respectivement à l’entrée et à la sortie du ressaut.L’écoulement redevient fluvial dans la zone aval avec la profondeur y3.

Le ressaut est l’élément clé du seuil car le passage de l’écoulement torrentiel à l’écoulement fluvialprovoque un bouillonnement de l’eau qui dissipe une grande quantité d’énergie.

Figure 16.4 Schéma des écoulements rencontrés dans un seuil dissipateur d’énergie.

Écou. fluvialgraduellement varié

Écou. fluvialgraduellement varié

Écou. torrentielgrad. varié

Ressaut

Écou. critique

16.3.2 Types de seuils

Les seuils sont classifiés en fonction des types de coeur (chute) et de bassin qui les composent. Nousrencontrons deux types de coeur ou chute (figure 16.5) :

chute verticale;

chute inclinée.

Figure 16.5 Type de chute.

Chute inclinée Chute verticale

219COMPOSANTES ET TYPES DE SEUILS

et quatre principaux types de bassin (figure 16.6)

fosse naturelle;

fosse naturelle avec contre--épi;

bassin en dépression;

bassin en devers.

Figure 16.6 Type de bassin de dissipation d’énergie.

Fosse naturelle Fosse naturelle avec contre--épi

Bassin en dépression Bassin en devers

Si les quatre types de bassin peuvent se rencontrer théoriquement avec les deux types de chute, lesfosses naturelles se rencontrent principalement avec la chute verticale alors que les bassins en deversou en dépression peuvent se rencontrer avec les deux types de chute. Le terme bassin suppose la cons-truction d’un radier sur son fond.

Dans les cours d’eau de petite taille, les types de seuils dissipateurs qui semblent présenter le plusd’intérêt sont (figure 16.7) :

la chute inclinée avec bassin en dépression;

la chute verticale avec fosse naturelle;

les seuils en escalier.

Les seuils en escalier sont une succession de chutes verticales avec, en général, des bassins en devers.Les bassins en devers sont peu d’intérêt pour les seuils de faible dénivellation car le contre--épi provo-que en aval la création d’un deuxième ressaut qu’il faut dimensionner et protéger. Son intérêt n’estmanifeste que pour les chutes importantes et dans les seuils en escalier.Dans ce dernier cas, le contre--épi joue le rôle de déversoir de crête.


Figure 16.7 Exemples de types de seuil.

Chute inclinée avec bassin en dépression

Chute verticale verticale avec fosse naturelle

Seuil en escalier

16.4 CONCEPTION D’UN SEUIL

Le seuil dissipateur d’énergie comporte quatre parties : un canal d’approche en amont de la chute, undéversoir au--dessus de la crête, un bassin de dissipation qui comprend la chute (inclinée ou verticale)et le ressaut ainsi que le canal de sortie.

La philosophie générale de design est de concevoir l’ensemble déversoir, chute et bassin pour ne pasinfluencer l’écoulement amont et pour être le moins indépendant de l’écoulement aval.

221ZONE D’APPROCHE ET DÉVERSOIR

16.5 ZONE D’APPROCHE ET DÉVERSOIR

Il existe deux façons de concevoir le déversoir du seuil (le déversoir) et la zone d’approche :

1. le déversoir du seuil occupe la pleine largeur du cours d’eau;

2. le déversoir provoque un rétrécissement de l’écoulement.

16.5.1 Déversoir occupant la pleine largeur du cours d’eau

Lorsque le déversoir occupe la pleine largeur du cours d’eau, l’écoulement à l’amont du déversoirpassera d’un écoulement uniforme à un écoulement graduellement varié pour devenir un écoulementcritique quelque part au--dessus de la crête du seuil (figure 16.8). Cela implique que la vitesse del’écoulement va graduellement augmenter pour atteindre la vitesse critique au--dessus du seuil.Ainsi, il faut déterminer la longueur de cette zone d’approche où la vitesse sera plus grande que lavitesse maximale permise car cette zone devra être protégée. Pour minimiser la zone d’approche àprotéger, il serait prudent de choisir une pente du cours d’eau entre les seuils plus faible que la pentemaximale. La détermination de la zone de protection s’effectue en calculant la courbe de remous(profondeur d’écoulement et vitesse d’écoulement) à l’amont de la crête du seuil en solutionnantl’équation de l’écoulement graduellement varié (chapitre 8).

Figure 16.8 Schéma de l’écoulement lorsque la crête du seuil occupe la pleine largeur ducours d’eau.

16.5.2 Déversoir de contrôle

La deuxième approche consiste à concevoir un déversoir sur la crête du seuil qui influence peul’écoulement à l’arrière du déversoir. Pour maintenir l’écoulement normal à l’arrière du déversoir, ilfaut que celui--ci soit plus étroit que le cours d’eau. Ce rétrécissement est bénéfique car il permet deconcentrer l’écoulement au centre du canal, de diminuer les vitesses d’écoulement sur les talus dansla zone très proche de la crête et d’éliminer virtuellement la nécessité de protéger la zone d’approche


car celle--ci devient négligeable. Pour atteindre cet objectif, le déversoir doit provoquer à l’amont unehauteur d’écoulement supérieure à la hauteur normale d’écoulement dans les cours d’eau.

Le déversoir peut être de section rectangulaire ou trapézoïdale. Les sections trapézoïdales sont plusstables mécaniquement mais plus difficiles à réaliser que les sections rectangulaires.

Pour calculer la largeur du déversoir, les équations des déversoirs à seuil épais sont utilisées.

16.5.3 Seuils dans un cours d’eau dégradé

Lorsque les seuils sont installés dans des cours d’eau dégradés pour corriger la situation, la sectiond’écoulement sera non régulière et l’écoulement sera non uniforme. Le calcul de la courbe de remouset des vitesses d’écoulement devra être effectué à l’amont du seuil en considérant les deux cas extrê-mes : cours d’eau non remplis de sédiments à l’amont du seuil et cours d’eau remplis de sédiments àl’amont du seuil. Cette vérification permet de s’assurer que les vitesses d’écoulement seront toujoursen deçà de la vitesse maximale tolérée.

16.5.4 Courbe de remous en amont de la crête

Le calcul de la courbe de remous en amont de la crête nous oblige à considérer certains aspects.

L’écoulement en amont de la chute étant généralement fluvial, c’est l’extrémité du canal d’approche(le déversoir) qui devient la section de contrôle. Comme le calcul des courbes de remous s’effectuentà partir de la section de contrôle, il importe de connaître les caractéristiques de l’écoulement danscette région. Deux hauteurs sont à retenir : la hauteur critique yc et la hauteur sur la crête yb

(figure 16.9). L’écoulement, passant de fluvial à torrentiel, devra être critique en un certain point.

Figure 16.9 Canal d’approche (adapté de Skogerboe et al., 1971).

En première approximation, celui--ci se situerait complètement à l’extrémité du canal d’approche.Cependant, à cause de la courbure des lignes de courant non parallèles, l’écoulement critique de hau-

223CHUTE INCLINÉE

teur yc sera situé à une distance d’environ4 yc en amont de l’extrémité du canal. La hauteur sur la crêteyb sera la hauteur d’eau mesurée directement sur l’extrémité du canal amont. Cette valeur dépend dela forme du canal, de la pente critique Sc et de la pente actuelle So de ce canal et aussi de la hauteurcritique. La figure 16.10 indique la variation de yb/yc en fonction du rapport So/Sc pour différents typesde canaux. Le rapport yb/yc pour un canal trapézoïdal varie avec le facteur de forme k = b/zy et se

situera entre les extrêmes qui sont le canal rectangulaire (k→ ∞) et le canal triangulaire (k = 0).

Figure 16.10Hauteur sur la crête en termede hauteur critique (adapté de Skogerboe et al., 1971).

ybyc

So Sc

16.6 CHUTE INCLINÉE

Le dimensionnement d’un ouvrage hydraulique utilisant la chute inclinée (figure 16.11) peut êtreeffectué à partir des notions exposées jusqu’à maintenant. Connaissant le débit, la forme, la pente etla rugosité du canal d’approche, la hauteur critique yc et la pente critique Sc sont déterminées. Puis àpartir de ces dernières, la hauteur sur la crête yb est trouvée. Cette hauteur yb avec les caractéristiquesde la chute inclinée (forme, rugosité, hauteur de la chute h, longueur horizontale Lx) nous permettentd’effectuer le calcul de la courbe de remous afin d’obtenir la hauteur d’écoulement y1 en aval de lachute. L’écoulement étantmaintenant torrentiel, un ressaut se formera et sa hauteur conjuguée y2 et salongueur L pourront être évaluées à l’aide des notions du chapitre 14.

Une approche conservatrice existe pour évaluer la hauteur d’écoulement y1 au pied de la chute. Ellesuppose la conservation d’énergie dans la chute inclinée. Pour une fosse de section rectangulaire (lar-geur la) et en utilisant le fond de la fosse commeniveau de référence, l’équation deBernouilli s’écrit :


Figure 16.11 Chute inclinée (adapté de Skogerboe et al., 1971).

[16.2]y0 + z0 +Q2

2 g A20

= y2 +Q2

2 g y22 l2a

y0 = épaisseur d’écoulement à l’amont de la crête

z0 = dénivellation entre le fond du cours d’eau et le fond de la fosse à l’amontde la crête

A0 = section d’écoulement à l’amont de la crête

La section critique au--dessus du réservoir peut être utilisée comme section de contrôle (Ao, Yo, Zo). Laprofondeur y2 est obtenue par itération et les valeurs de y2 et longueur de la fosse L sont obtenuescomme précédemment. Cette approche amène un design très sécuritaire de la fosse.

16.7 CHUTE VERTICALE

Le ressaut peut s’obtenir également à partir d’une chute verticale (figure 16.12). L’écoulementd’abord fluvial devient critique légèrement en amont du seuil. Il accélère ensuite en chute libre pourdevenir torrentiel au contact du fond du canal en aval. Le ressaut se forme alors et l’écoulement rede-vient fluvial. Afin de dimensionner l’ouvrage, les paramètres suivants sont déterminées : h, yc, y1, y2,L et Ld.

White (1943) a développé à partir de l’équation de la quantité de mouvement, une équation permet-tant de déterminer la hauteur d’eau y1 :

[16.3]y1yc

= 2

1, 5+ 2 hyc + 32

et une équation permettant de déterminer l’énergie spécifique E1 :

[16.4]E1yc

=y1yc

+y2c

2 y21

225CHUTE VERTICALE

Figure 16.12 Chute verticale (adapté de Skogerboe et al., 1971).

L’équation 16.4 est représentée graphiquement à la figure 16.13. On note qu’il y a une perte impor-tante d’énergie EL au cours de l’impact de la nappe d’eau avec le fond du canal en aval.

Connaissant la hauteur de la chute ainsi que les caractéristiques du canal (débit, géométrie, rugosité,pente), la hauteur critique et par la suite la hauteur avant ressaut y1 sont calculées. À partir des notionsvues au chapitre 11, la hauteur conjuguée y2 et la longueur du ressaut L sont déterminées.

Afin d’établir la longueur du bassin de dissipation, la distance horizontale Ld parcourue par la napped’eau en chute libre doit être évaluée. Cette distance est déterminée par les équations développées parDonnelly et Blaisdell (1965) qui tiennent compte de la submersion possible de la nappe. Ils obtien-nent les équations suivantes :

[16.5]Ld =xf + xs

2

[16.6]xfyc

= − 0, 406+ 3, 195− 4, 386 hyc0,5

[16.7]xsyc

=0, 691+ 0, 228 xtyc

2− hyc

0, 185+ 0, 456 xtyc

Dans ces équations, Xf est la distance horizontale parcourue par la partie supérieure de la nappe enchute libre, Xs est la distance horizontale parcourue par cette nappe après submersion et Xt est la dis-tance horizontale à laquelle la nappe en chute libre atteint la surface de l’eau dans le canal aval. Cette

distance Xt est évaluée à l’aide de l’équation 16.6 où l’on remplace h par yt (yt = h + y2) et Xf par Xt.


Figure 16.13 Perte d’énergie au pied d’une chute verticale (adapté de Skogerboe et al., 1971).

Eyc

hyc

L’origine du systèmed’axes étant située sur la crête de la chute, h sera négatif, y2 et yc seront positifs etyt pourra être positif ou négatif.

La solution graphique de ces équations est donnée par la figure 16.14. On doit noter que la distanceretenue Ld est la distance moyenne entre la nappe en chute libre et la nappe submergée.

Suite à ces calculs, la valeur y2 est connue de même que la longueur totale du bassin de dissipation.Cette longueur comprend la longueur de chute de la nappe Ld et la longueur du ressaut L.

227BASSINS

Figure 16.14 Solution graphique à la trajectoire de la nappe (adapté de Skogerboe et al., 1971).

Ldyc

hyc

16.8 BASSINS

Les bassins sont la zone où le ressaut se forme et l’énergie se dissipe. Ils doivent être conçus pourpermettre la réalisation sécuritaire du ressaut. Ils doivent être de longueur suffisante et la hauteurconjuguée y2 doit se réaliser sécuritairement.


16.8.1 Bassin en dépression

L’élément important lors du design des bassins en dépression est la détermination de la profondeur dubassin. Cette profondeur doit être suffisante pour permettre à la cote du niveau d’eau de la hauteurconjuguée y2 d’être égale ou inférieure à la côte au niveau d’eau dans le cours d’eau à l’aval du bassin.Ce calcul s’effectue en assurant la conservation d’énergie entre la fin du ressaut (écoulement fluvial)et la section du cours d’eau à l’aval du bassin. Si l’énergie de vitesse est négligée, la profondeur dubassin correspond à la hauteur conjuguée y2 moins la hauteur y3 d’eau dans le cours d’eau à l’aval dubassin.

Comme la profondeur du bassinmodifie la hauteur de chute, il est souhaitable de recalculer les carac-téristiques du ressaut avec la nouvelle hauteur de chute.

16.8.2 Bassins en devers

Avec la construction d’un contre--épi dans les bassins en devers, la formation du ressaut est renduecomplètement indépendante des conditions d’écoulement à l’aval. Le contre--épi est en réalité undéversoir à seuil épais qui est dimensionné (hauteur) pour assurer à l’arrière de celui--ci une hauteurd’eau correspondant à la hauteur conjuguée y2 du ressaut. Les équations des déversoirs à seuils épaissont utilisées

Comme le contre--épi est un déversoir à seuil épais et provoque un écoulement critique sur sa crête etun ressaut par la suite, on doit s’assurer que ces conditions sont respectées si l’on veut que le ressautprincipal soit indépendant des conditions avals. Le ressaut aval doit aussi être calculé pour assurerune protection adéquate à l’aval du contre--épi.

Les bassins en devers sont d’intérêt lors des chutes importantes mais devraient être peu utilisés dansles cours d’eau de petites dimensions car le contre--épi et la protection aval nécessaires occasionnentdes coûts additionnels.

16.9 FOSSES NATURELLES

Quoique les fosses naturelles ne provoquent pas un ressaut au sens strict, elles dissipent l’énergie parturbulence dans la masse d’eau. La fosse se creuse naturellement par le jet d’eau et atteint son équili-bre lorsque les vitesses périphériques des contre--courants deviennent égales ou inférieures aux vites-ses maximales provoquant l’arrachement des particules.

Les éléments importants dans la conception des fosses naturelles (figure 16.15) sont la localisation dela profondeur maximale de la fosse (point de chute) et la profondeur maximale de la fosse. Laconnaissance de cette dernière valeur est essentielle pour construire le coeur suffisamment profondpour éviter le déchaussement.

La distance du point de chute Ld peut être calculée en utilisant les équations 16.5, 16.6 et 16.7 de lachute verticale.

229FOSSES NATURELLES

Figure 16.15 Schéma d’un seuil avec fosse naturelle.

La profondeur maximale de la fosse Zd peut être évaluée par l’équation développée par Veronese(1937) et utilisée par la USBR :

[16.8]Zd = 1, 9 h0,225 q0,54

h = différence d’énergie totale entre le haut et le bas de la chute (m)

q = débit unitaire (m3/m--s)

Cette équation est une équation limite car elle suppose un matériel fin.

Schoklitsch (1932) a développé une équation qui tient compte de la grosseur des particules compo-sant le matériel au fond de la fosse.

[16.9]Zd =4, 75 h0,2 q0,57

d900,32

d90 = diamètre où 90% de la masse des particules ont un diamètre inférieur àcelui--ci (mm)

Les deux équations ont lamême forme à l’exception de l’addition du d90 par Schoklitsch. De plus, lesexposants pour les facteurs communs sont pratiquement les mêmes.

Si l’on considère l’équation de Veronese comme limite, l’équation de Schoklitsch est d’intérêt lors-que le d90 est supérieur à 17.5 mm. Dans la pratique, nous devrions utiliser l’équation de Veroneselorsque le d90 est inférieur à 20 mm et l’équation de Schoklitsch dans les autres cas.


Il serait possible comme lemontre l’équation de Schoklitsch de diminuer la profondeur de la fosse entapissant celle--ci dematériel plus grossier (roches, cailloux, etc.). Par contre, l’épaisseur dumatérieln’est pas connue.

Quant à la largeur de la fosse, la littérature ne présente aucun détail. Le bon sens dicte que le fond de lafosse doit être aussi large que le jet d’eau (déversoir) et que les talus de la fosse doivent respecter lespentes d’équilibre des talus.

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CHAPITRE 17Design des seuils dissipateurs d’énergie

17.1 INTRODUCTION

Le dimensionnement hydraulique complet des seuils dissipateurs d’énergie nécessite la réali-sation séquentielle de plusieurs étapes de prise de décisions et de calculs. La première sectionprésente ces étapes ainsi que quelques règles de base à respecter pour obtenir un fonctionne-ment efficace de ces seuils. Chaque étape est reprise par la suite dans le cadre d’exemples.

17.2 ÉTAPES NÉCESSAIRES A LA CONCEPTION DES SEUILS

17.2.1 Caractéristiques du milieu

Le dimensionnement des seuils dissipateurs d’énergie nécessite d’abord la connaissance dubassin versant, des caractéristiques hydrauliques du cours d’eau à aménager, de même que lescaractéristiques du sol que traverse ce cours d’eau. Ces différentes caractéristiques permet-tront d’évaluer les paramètres suivants :

1. Débit de projet, Q [m3/s] ;

2. Section du cours d’eau (largeur “b” [m] et la pente des talus “z”);

3. Pente du cours d’eau avant aménagement, “So“ [mlm] ;

4. Coefficient de rugosité de Manning, “n” [s/ml/3] ;

5. Hauteur normale d’écoulement, “yn“ [m] ;

6. Vitesse d’écoulement, “V” [m/s] ;

7. Nombre de Froude, F (F > 1, écoulement torrentiel; F < 1, écoulement fluvial) ;

8. Profondeur critique d’écoulement, “yc“ [m];

9. Vitesse d’écoulement maximale permise, “Vmax“ [m/s].

234 DESIGN DES SEUILS DISSIPATEURS D’ÉNERGIE

17.2.2 Aménagement du cours d’eau

L’aménagement d’un cours d’eau afin de contrôler son érosion s’avère essentiel lorsque lavitesse d’écoulement calculée est supérieure à la vitesse maximale d’écoulement que peuttolérer le sol, soit V > Vmax. Le cas échéant, différents aménagements sont possibles :

1. Creusage d’une nouvelle section (diminution de la vitesse d’écoulement);

2. Ensemencement des talus (augmentation de la résistance à l’érosion des talus et de larugosité du cours d’eau, donc diminution de la vitesse d’écoulement);

3. Enrochement du talus et/ou du fond du cours d’eau (augmentation de la résistance àl’érosion et de la rugosité du cours d’eau, donc diminution de la vitesse d’écoulementet augmentation de la vitesse maximale permise);

4. Aménagement de seuils (diminution de la pente effective et dissipation ponctuelle del’énergie hydraulique).

17.2.3 Pente maximale

Une fois le choix arrêté sur l’aménagement de seuils, la pente maximale du cours d’eau estdéterminée et elle est la pente pour laquelle la vitesse d’écoulement est égale à la vitessemaxi-male “Vmax” que le sol peut tolérer. Le calcul est effectué à l’aide de l’équation deManning enutilisant le débit de projet “Q” et les caractéristiques de la section (”A” et “Rh”) et de rugosité“n” du cours d’eau déterminés à la section précédente :

[17.1]S1 =Q2 n2

A2 Rh43

17.2.4 Hauteur du seuil

Le choix de la hauteur du seuil est guidé par des considérations de différents ordres.

Efficacité hydraulique

Du point de vue de l’efficacité hydraulique la hauteur du seuil “h” devrait rencontrer les deuxexigences suivantes (figure 17.1) :

1. La hauteur du seuil devrait être supérieure à 1.2 fois la hauteur critique d’écoulementsur la crête du déversoir yc (h > 1,2 yc). Cette condition assure que le ressaut sera detype direct, soit F1 > 1,7, d’où une dissipation minimale de l’énergie hydraulique.

2. La cote de la crête du seuil devrait préférablement être supérieure à la cote de l’eau enaval du seuil (h > h’ + y3). Cette condition assure que le déversoir est complet et doncque l’écoulement en amont du seuil n’est pas influencé par le niveau de l’eau en aval.

ÉTAPES NÉCESSAIRES A LA CONCEPTION DES SEUILS 235

S’il s’avérait impossible de remplir cette condition, il serait nécessaire de s’assurer quela cote de l’eau sur le seuil soit supérieure à la cote de l’eau en aval du seuil (h + yc >

h’ + y3). Si cette condition n’est pas respectée, aucun ressaut n’a lieu et donc peud’énergie est dissipée par le seuil.

Conditions à respecter :

1. h > 1,2 yc ; et,

2a. h > h’+ y3 (préférablement) ou

2b. h + yc > h’ + y3 (absolument)

Figure 17.1 Contraintes sur la hauteur du seuil afin de maintenir une efficacité mini-male de la dissipation de l’énergie hydraulique.

Revanche du cours d’eau et stabilité du sol

L’aménagement d’un seuil a pour effet de diminuer la vitesse de l’écoulement par une diminu-tion de la pente effective du cours d’eau. II en résulte donc une augmentation de la cote de laligne d’écoulement de l’eau en amont du seuil. Il est donc nécessaire de s’assurer que la revan-che du cours d’eau et la stabilité mécanique du sol sont suffisantes pour contenir l’écoulementde l’eau dans les nouvelles conditions.Dans les cas de ravinement, cette revanche est générale-ment suffisante. Par contre, ce n’est pas le cas en terrain relativement plat où les cours d’eausont peu profonds et où des sorties de drains souterrains limitent cette hauteur d’eau.

Faune

Les cours d’eau dans lesquels existe une faunemigratrice ou dans lesquels celle--ci est souhai-tée, la hauteur des seuils devra être limitée. De façon plus juste, il faut tenir compte de la diffé-rence entre la cote de la crête du seuil et celle de l’eau en aval du seuil, soit h -- (h’ + y3)

(figure 17.1) et ce, au moment de la migration des poissons. I1 est à noter que celui--ci ne cor-respond pas nécessairement à la période d’étiage alors que le poisson semble plutôt rechercherla fraîcheur des fosses.


Dans tous les cas, afin de déterminer la hauteur du seuil qui répondra lemieux aux exigences dela faune existante ou souhaitée, il est conseillé de consulter des spécialistes en aménagementde la faune aquatique.

17.2.5 Déversoir

Rôle du déversoir

Le déversoir remplit deux tâches importantes dans le fonctionnement du seuil. D’abord ilconcentre l’écoulement vers le centre du cours d’eau évitant ainsi l’affouillement des berges.Puis, s’il a été choisi judicieusement, il permet également de créer une zone de courant lent enamont du seuil, limitant la vitesse d’écoulement à une vitesse inférieure à la vitesse maximalepermise. Le déversoir évite donc de devoir protéger cette partie du cours d’eau.

Forme du déversoir

Les matériaux utilisés pour la construction du seuil de même que le fonctionnement qu’on endésire conditionnent le choix de la forme du déversoir (figure 17.2). Ainsi, une structure enbois ou en gabions s’adaptera bien à un déversoir rectangulaire tandis qu’une structure enenrochement ou en blocs de béton supportera facilement un déversoir de forme trapézoïdale.

À cause de sa forme, Pour ce qui est de l’écoulement obtenu, par l’augmentation de st, le déver-soir trapézoïdal limite la hauteur d’eau en amont du seuil en comparaison avec le déversoirrectangulaire car sa largueur au miroir croit avec une augmentation du débit. Quant au déver-soir à section composée (figure 17.2), il assure une bonne efficacité hydraulique à grand débitgrâce à une hauteur moyenne du seuil élevée tout en permettant, même à petit débit, la migra-tion des poissons par la section basse et étroite du déversoir.

Dimension

Le débit d’un déversoir rectangulaire à seuil épais (figure 17.3) est estimé par l’équation sui-vante :

[17.2]Q = Cd B23

2 g

3 (H)32

Q = débit [m3/s]

B = largeur du déversoir [m]

Cd = coefficient de débit du déversoir

g = constante gravitationnelle [9,8 m/s2]

H = énergie spécifique à l’amont au--dessus de la crête du déversoir [m]

L’énergie spécifique est considérée pour les conditions de l’écoulement à l’amont du déversoiret en référence à la crête du déversoir.


Figure 17.2 Formes de déversoirs possibles et matériaux utilisés.

a) Déversoir rectangulaire;structure en bois

b) Déversoir trapézoïdal;structure en enrochement

c) Déversoir à sectioncomposée;structure en gabions

Figure 17.3 Déversoir rectangulaire dans un cours d’eau de forme trapézoïdal.

[17.3]H = h+ V2

2 g

h = hauteur d’eau au--dessus de la crête du déversoir à l’amont [m]

V = vitesse de l’écoulement à l’amont du déversoir [m]


La chargeH est mesurée à l’amont du déversoir où la courbure de l’écoulement ne se fait plussentir (figure 17.3).

L’équation [17.2] peut être réécrite :

[17.4]Q = 1, 7 Cd B h+ V2

2 g32

Le coefficient de débit “Cd“ peut être estimé par l’équation suivante :

[17.5]Cd = 1− 0, 006 L

B 1− 0, 003 L

h

L = longueur de la crête du déversoir [m]

Pour des objectifs de design, Herschy (1995) recommande l’équation suivante, une versionsimplifiée de l’éqaution [17.4] :

[17.6]Q = 1, 8 B h+ V2

2 g32

Le débit d’un déversoir trapézoïdal (figure 17.4) à seuil épais est estimé par l’équation sui-vante :

[17.7]Q = 1, 7 Cd Cs b h+ V2

2 g32

b = largeur de la base du déversoir [m]

Cs = coefficient de forme

[17.8]Cd = 1− 0, 006 k L

b 1− 0, 003 L

h

[17.9]k = (1+ z2) − z

La figure 17.5 permet d’estimer le coefficient Cs pour les déversoirs trapézoïdaux.

La longueur de la crête, dans le sens de l’écoulement, devrait être de trois (3) fois la hauteurd’eau sur la crête du déversoir (Stephenson, 1979). Comme la hauteur considérée est la hauteurcritique yc , alors L = 3 yc . Cette longueur permet de stabiliser l’écoulement sur la crête endiminuant la turbulence sur celle--ci. Dans le cas d’une section rectangulaire, yc = 2/3 H.

Pour réduire la vitesse à l’amont du déversoir et réduire la nécessité de protection, il est recom-mandé que la hauteur d’eau à l’amont du déversoir soit d’au moins 1,1 fois la hauteur normale


d’écoulement dans le cours d’eau, les valeurs étant déterminées par rapport à la crête du seuil.La vitesse est estimée pour la section à l’amont du déversoir avec cette hauteur.

Figure 17.4 Déversoir trapézoïdal dans un cours d’eau de forme trapézoïdal.

z

1h

B

b

Z

1

L

B b

Figure 17.5 Coefficient Cs.

1

10

0,10 1,00 10,00

Cs

zbh+ V2

2 g


La largeur de déversoir (cas rectangulaire) ou de la base du déversoir (cas trapézoïdal) est faci-lement déterminé :

[17.10]b =Q

1, 7 Cd Cs h+ V2

2 g32

Dans le cas du déversoir rectangulaire, Cs = 1. Dans le cas du déversoir trapézoïdal, Cs étantfonction de “b”, la largeur doit être déterminée par itération.

17.2.6 Chute et bassin de dissipation

La dernière étape dans la conception d’un seuil est le dimensionnement du bassin de dissipa-tion. Celui--ci se situe directement à la suite du déversoir et permet d’amener l’écoulement àune cote inférieure tout en dissipant localement le surplus d’énergie hydraulique. Les princi-paux éléments fonctionnels du bassin de dissipation sont (figure 17.6) :

1. Chute, entre les sections 0 et 1;

2. Dissipation d’énergie, entre les sections 1 et 2 ; et,

3. Jonction au cours d’eau aval, entre les sections 2 et 3.

Chute

Deux types de chute sont utilisés dans les dissipateurs : la chute inclinée et la chute verticale(figure 17.6). Pour les fins de dimensionnement, il est possible de ne pas considérer la perted’énergie dans cette chute : il en résultera un facteur de sécurité plus élevé dans le fonctionne-ment du dissipateur. Cependant, il pourra être avantageux, économiquement ou pratiquement,de tenir compte de ces pertes d’énergie.

Dissipation d’énergie

La dissipation d’énergie est réalisée au moyen du ressaut hydraulique réalisé dans le bassin(figure 17.6 a) et b)) ou par simple turbulence dans une fosse de dissipation (figure 17.6 c)).

Jonction

La jonction entre l’écoulement après le ressaut (section 2) et le cours d’eau en aval du seuil(section 3) nécessite généralement une modification dans la structure. En effet, la hauteurd’eau “y2“ nécessaire à la formation du ressaut est presque toujours différente de la hauteurd’eau “y3“, de sorte que l’on doit maintenir artificiellement cette hauteur “y2”. Ceci se fait àl’aide de structures connexes telles que le bassin en dépression et le bassin en dévers dans lescas où la hauteur y2 est plus grande que la hauteur “y3”, ce qui est généralement le cas. Lecontre--épi utilisé dans le bassin en dévers permet de plus de rendre l’écoulement à la section 2indépendant de l’écoulement aval à la section 3. La formation du ressaut est alors assurée àtous les débits inférieurs au débit de projet.


Dimensionnement

Le dimensionnement du bassin (ou de la fosse) de dissipation signifie la détermination de lalongueur du bassin (ou de la fosse), de la hauteur du contre épi ou de la dépression du bassin etde la profondeur de la fosse de dissipation. La détermination de ces paramètres nécessite àpriori la connaissance des caractéristiques de l’écoulement sur le déversoir (section 0) et cellesde l’écoulement en aval du seuil (section 3). Par la suite, les caractéristiques de l’écoulement àla section 1 (avant le ressaut) seront déterminées. Si on ne considère aucune perte d’énergiedans la chute, ces caractéristiques s’obtiennent par l’équation de conservation d’énergie entreles sections 0 et 1. Si ces pertes sont considérées, les caractéristiques de l’écoulement à la sec-tion 1 s’évaluent de la façon suivante

1. Dans le cas de la chute inclinée, un calcul de la courbe de remous entre les sections 0et 1 permettra d’évaluer la hauteur d’eau avant ressaut. Connaissant le débit et la géo-métrie du fond, les autres caractéristiques sont alors déterminées.

2. Dans le cas de la chute verticale, l’équation [16.3] permet d’évaluer la hauteur d’eau“y1“ avant ressaut. Cette équation tient compte de la perte d’énergie lors de l’impactde la nappe d’eau avec le fond du cours d’eau.

L’écoulement à la section 2 est déterminé à partir de l’écoulement avant ressaut (section 1) et àl’aide des équations et graphiques reliés au ressaut (sections 15.2 et 15.3). Les caractéristiquesobtenues pour l’écoulement à la section 2 tiennent alors compte de la perte d’énergie occasion-née par ce ressaut. Pour ce qui est de la longueur du bassin, celle--ci correspond à la longueur duressaut dans le cas de la chute inclinée. Dans le cas de la chute verticale, la longueur de la chutede la nappe d’eau doit être ajoutée à cette longueur. Cette dernière est obtenue par lafigure 16.14 ou par les équations [16.5] à [16.7].

La jonction entre les sections 2 et 3 est généralement nécessaire pour que le ressaut puisse seréaliser. Dans le cas d’un bassin en dépression (figure 17.6 a)), le principe de la conservationd’énergie entre les sections 2 et 3 est utilisée. Connaissant les caractéristiques d’écoulement àces deux sections, la hauteur “h’ “ sera facilement obtenue. Si, d’autre part, la jonction se faitpar l’intermédiaire d’un contre--épi (figure 17.6 b)), sa hauteur sera déterminée en le considé-rant commeun déversoir (section 17.2.5). Il faut cependant noter que l’utilisation d’un contre--épi nécessite la protection du cours d’eau en aval de celui--ci, contrairement à l’élévation dufond du cours d’eau.

Finalement, dans le cas de la chute verticale avec fosse de dissipation, la profondeur de cel-le--ci est évaluée à l’aide de l’équation [16.8] deVeronese ou de l’équation [16.9] Schoklitsch .Le contre--épi n’est utilisé ici que pour diminuer la profondeur de la fosse. Une protection doitalors être assurée en aval du contre--épi.

242

Figure 17.6Bassins de dissipation utilisant différentes chutes et différentes structuresconnexes..

b) Chute verticale avec bassin en dévers

c) Chute verticale avec fosse de dissipation

a) Chute inclinée avec bassin en dépression

h

CARACTÉRISTIQUES DU COURS D’EAU 243

17.3 CARACTÉRISTIQUES DU COURS D’EAULe cours d’eau retenu pour les fins de d’exemple cause du ravinement au travers des champscultivés. Aussi, la revanche est de plusieurs mètres et aucune espèce de poisson n’y est pré-sente. Les paramètres de base concernant ce cours d’eau avant son aménagement sont les sui-vants (figure 17.7) :

Débit (Q) : 1,5 m3/s

Section trapézoïdale

Largeur au fond (b) : 2,0 m

Fruit des talus (z) : 2,5

Pente avant aménagement (So) : 0,009 m/m

Coefficient de rugosité (n) : 0,022

Vitesse maximale permise (Vmax.) : 1,2 m/s

Figure 17.7 Caractéristiques du cours d’eau retenu avant son aménage-ment. Ecoulement uniforme..

De ces caractéristiques et à l’aide de l’équation deManning pour un écoulement uniforme, ondétermine les paramètres hydrauliques suivants :

Profondeur normale d’écoulement (yo) : 0,320 m

Vitesse d’écoulement (V) : 1,67 m/s

Nombre de Froude (F) : 1,07

Hauteur critique d’écoulement (yc) :: 0,333 m

L’écoulement est donc torrentiel et la vitesse d’écoulement est supérieure à la vitesse maxi-male que peut tolérer le sol (V > Vmax). L’aménagement du cours d’eau s’avère alors néces-saire et certaines alternatives sont possibles (voir section 17.2.2).

17.4 PENTE MAXIMALEDès le choix arrêté de l’utilisation de seuils, la pente maximale du cours d’eau est calculée.Cette pente permet de faire transiter le débit de projet à une vitesse égale ou inférieure à lavitesse maximale permise. Le calcul s’effectue ainsi.

244

Section minimale requise :

[17.11]Amin =Q

Vmax= 1, 25 m2

Cette section requiert une hauteur normale d’écoulement de : yn = 0,413 m

En utilisant l’équation [17.1], la pente maximale devient (figure 17.8) :: S1 = 0,0035 m/m

Figure 17.8Caractéristiques du cours d’eau après recreusage à la pente d’équilibre. Ecou-lement uniforme..

II est à noter que cette pente peut s’obtenir par un nouveau creusage du cours d’eau. II s’ensuivra un cours d’eau de section régulière. Par contre, si un seuil formant une saillie sur le fonddu cours d’eau est érigé, la pente d’équilibre sera obtenue par dépôt de sédiments à l’amont duseuil. Il en résultera un cours d’eau de forme irrégulière, la largeur au fond étant plus élevéeprès du seuil (à cause du remplissage) que loin en amont de celui--ci.

17.5 HAUTEUR DU SEUIL

Dans le cas présent, aucune contrainte ne s’applique sur le choix de la hauteur du seuil : larevanche du cours d’eau est de quelques mètres et aucune espèce de poisson n’y est présente.Afin de limiter le nombre de structures, une hauteur de h = 1,5 m a été retenue.

Cette hauteur rencontre les exigences posées à la section 15.2.4. En effet, h > 1,2 yc (yc =0,333 m) et h> h’ + y3 (≅0,80m pour h’ ≅ h/4 et y3 = 0,413m, hauteur normale d’écoulementavec la pente maximale).

Dans ces conditions, la distance entre chaque seuil DS serait :

[17.12]DS = hSo − S1

= 270 m

DÉVERSOIR 245

17.6 DÉVERSOIR

Dans cette section, nous étudierons et comparerons le fonctionnement de différents déversoirsdans les deux situations suivantes :

1. Aménagement de seuils avec recreusage du cours d’eau; et

2. Aménagement de seuils dans un cours d’eau dégradé.

17.6.1 Aménagement de seuils avec recreusage du cours d’eau

Dans ce cas, le recreusage du cours d’eau se fait avec la pente maximale S1. Le seuil constituealors une ”marche” dans le cours d’eau (figure 17.9) et sa crête est à la même cote que le fonddu cours d’eau.

Déversoir sans restriction

Ce type de déversoir est fréquent actuellement et sa forme correspond à la section du coursd’eau (figure 17.9). Dans l’exemple qui nous concerne, c’est une section trapézoïdale d’unelargeur à la base b = 2 m (largeur au fond du cours d’eau) et dont le fruit est de z = 2,5.

Figure 17.9 Déversoir trapézolidal sans restriction et avec recreusage du cours d’eau.

La forme et les dimensions du déversoir, de même que le débit étant connus, seule la hauteurd’eau sur la crête reste à déterminer pour caractériser l’écoulement en amont du seuil. Cettehauteur s’obtient en supposant la formation de l’état critique sur la crête du seuil, soit :

[17.13]V

g Al = 1

d’où yc = 0,333 m

À partir de cette hauteur d’eau, le calcul de la courbe de remous permet de caractériser l’écou-lement en amont du seuil, soit la hauteur d’eau (figures 17.11 et 17.13) et la vitesse de l’écoule-ment (figure 17.12).

246

Déversoir rectangulaire

Ce déversoir impose une restriction à l’écoulement sur les côtés seulement, la crête étant à lamême cote que le fond du cours d’eau. Afin d’évaluer sa largeur, on impose que la hauteurd’eau en amont de la crête soit supérieure à aumoins 1.1 fois la hauteur normale d’écoulementdu cours d’eau à la pente aménagée, 1,1 x 0,413 = 0,453 m.

L’énergie spécifique “H” sera :

H = 1, 1 yn +V2

2 g= 1.1 0.453+ 1, 22

2 9, 8= 0, 454+ 0, 073 = 0, 527 m

En utilisant l’équation [17.6], la largeur du déversoir sera :

[17.14]B =Q

1, 8 Cd H32

= 1, 51, 8 0, 990 0, 52732

= 2, 20 m

Par le calcul de la courbe de remous, la hauteur d’eau (figures 17.11 et 17.13) et la vitessed’écoulement (figure 17.12) sont obtenues en amont du seuil.

17.6.2 Aménagement de seuils dans un cours d’eau dégradé

L’établissement de la pente maximale S1 se fait ici par sédimentation en amont du seuil.Celui--ci forme une saillie dans le fond du cours d’eau existant et la cote de la crête est ajustéepour obtenir la pente maximale sur la partie aménagée du cours d’eau (figure 17.10).

Afin d’établir les caractéristiques de l’écoulement, les deux situations suivantes seront consi-dérées. Immédiatement après l’aménagement, le seuil forme une saillie de 1,5 m de haut sur lefond du cours d’eau. Celui--ci conserve une pente Sn de 0,009 m/m et une largeur au fond deb = 2 m. Puis, lorsque la sédimentation s’est réalisée, la pente devient la pente maximaleS1 = 0,0035 m/m et la largeur au fond varie de b = 2 m à b’ = 9,5 m (où b’= b + 2 z h ).

Déversoir rectangulaire

Afin d’évaluer la largeur de ce déversoir, le calcul est le même qu’en 17.6.1. La largeur obte-nue est de B =2,20 m (figure 17.10).

Les courbes de remous pour ces situations sont présentées aux figures 17.14 et 17.15 et lavitesse d’écoulement au graphique 17.16.

Comparaison des déversoirs

Dans le cas de l’aménagement de seuil avec recreusage, les conclusions sont nettes. Des gra-phiques (17.11 et 17.13), il apparaît que le seuil sans restriction procure une profondeur d’eauinférieure à la profondeur normale d’écoulement de 0,41m sur les premiers 50 m en amont duseuil. Ceci se répercute au niveau de la vitesse d’écoulement (figure 17.12). La vitesse est alors

DÉVERSOIR 247

Figure 17.10 Déversoir rectangulaire dans un cours d’eau dégradé après sédimentation.

supérieure à la vitesse maximale permise sur cette portion du cours d’eau (Vmax = 1.2 m/s),d’où la nécessité de protéger le cours d’eau sur cette distance.

II est possible de corriger partiellement ce problème en choisissant une pente plus faible que lapentemaximale. La distance à protéger seramoindremais elle subsistera et, de plus, le nombrede seuils requis pour aménager le cours d’eau augmentera.

D’autre part, les déversoirs rectangulaire et trapézoïdal permettent de maintenir une hauteurd’eau supérieure à la hauteur normale et donc une vitesse inférieure à la vitesse maximale per-mise. Aucune protection du cours d’eau n’est alors requise en amont du seuil.

Il faut également remarquer qu’à une distance supérieure à 100 m en amont du seuil, tous lesdéversoirs procurent une hauteur d’eau égale à la hauteur normale d’écoulement.

Dans le cas de l’aménagement de seuils dans un cours d’eau dégradé, les conclusions diffèrentsi la sédimentation a eu lieu ou non (figures 17.14 à 17.16). Lorsque celle--ci s’est réalisée, lavitesse est toujours inférieure à la vitessemaximale permise et ce,même si à cause de la largeurvariable au fond du cours d’eau, la hauteur d’eau peut être inférieure à la hauteur normale. Parcontre, avant la sédimentation, la vitesse augmente à une valeur supérieure à la vitesse maxi-male permise à des distances de plus de 200 m en amont du seuil. II y a donc risque d’érosiondans cette section du cours d’eau.Cette érosion s’estompera au fur et àmesure de la sédimenta-tion.

248

Figure 17.11 Courbes de remous obtenues par différents déversoirs dans un cours d’eaurecreusé.

Figure 17.12 Vitesse calculée pour différents déversoirs dans un cours d’eau recreusé.

249

Figure 17.13 Courbes de remous obtenues près du déversoir par différents déversoirsdans un cours d’eau recreusé.

Figure 17.14 Courbes de remous obtenues par différents déversoirs dans un cours d’eaudégradé et avant sédimentation..

250

Figure 17.15 Courbes de remous obtenues par différents déversoirs dans un cours d’eaudégradé et après sédimentation..

Figure 17.16 Vitesses d’écoulement calculées pour différents déversoirs dans un coursd’eau dégradé avant et après sédimentation..

251

17.6.3 Chute et bassin de dissipation

Dans cette dernière section, nous allons effectuer le dimensionnement du bassin de dissipa-tion. Celui--ci comprend de façon plus concrète la chute, inclinée ou verticale, le bassin de dis-sipation lui--même et la structure connexe (figures 17.17 à 17.19). Dans le but de passer enrevue les différents types de composantes, trois exemples sont donnés.

Pour dimensionner les différents bassins de dissipation, nous avons retenu ur seul déversoir,soit le déversoir trapézoïdal aménagé après le recreusage du cours d’eau (section ). Les condi-tions d’écoulement pour les sections 0 et 3 sont donc les suivantes

Section 0 :

Hauteur d’écoulement yo = 0,413 m

Vitesse d’écoulement Vo = 1,20 m/s

Énergie spécifique Ho = 0,555 m

Énergie totale Eo = 2,055 m

Section 3 :

Hauteur d’écoulement y3 = 0,413 m

Vitesse d’écoulement V3 = 1,20 m/s

Énergie de vitesse V23 2 g = 0,073 m

Énergie spécifique H3 = 0,486 m

Énergie totale (p/r base de la chute) E3 = H3+ h

17.6.4 Chute inclinée avec bassin en dépression

Cette combinaison de composantes est illustrée à la figure 17.17. Elle représente la structure laplus utilisée jusqu’à maintenant au Québec. La pente aval de la chute est de 1:1,5 et le coeffi-cient de rugosité de Manning est de n = 0,04. Nous supposerons pour ce dimensionnementqu’aucune énergie n’est dissipée dans la pente de la chute, entre les sections 0 et 1. L’écoule-ment à la section 1 sera donc régi par l’équation de conservation d’énergie :

E1 = Eo

H1 = Ho + hou

y1 +Q2

2 g A21

= 2, 055 m

252

Connaissant le débit Q = 1,5 m3/s, nous trouvons les paramètres d’écoulement suivants :

Section 1 :



Facteur de forme (k = b/zy1) k = 7,5

Nombre de Froude modifié F1’ = 6,0

Les conditions avant le ressaut étant connues, nous déterminons la hauteur d’écoulement aprèsle ressaut, y2, à partir de la figure 13.6, soit y2 / y1 = 7,0. Les paramètres de l’écoulement à lasection 2 sont donc les suivants :

Section 2 :



Énergie spécifique et totale H2 = E2 =0,764 m

La longueur de la fosse est donnée de façon sécuritaire par la longueur maximale du ressaut :

L = 6, 9 y2 − y1 = 4, 4 m

Pour déterminer la hauteur de l’élévation du lit, nous poserons que l’énergie totale de l’écoule-ment à la section 3 doit être égale ou supérieure (ce cas n’est pas réel) à l’énergie totale à lasection 2, soit :

E3 = H3 + h ≥ E2

h ≥ 0, 28 msoit

Rappelons que la dépression du bassin est essentielle car la hauteur d’eau nécessaire à la réali-sation du ressaut (y2) est supérieure à la hauteur d’eau en aval du seuil (y3). Ce dernier paramè-tre complète donc le dimensionnement hydraulique du seuil.

Il est à noter que si nous avions tenu compte de la dissipation d’énergie dans la chute inclinée,les résultats auraient été sensiblement modifiés. Considérant que la chute inclinée est un canalde pente S=0,667m/met de rugosité n =0,04, nous aurions trouvé, par le calcul de la courbederemous, une valeur différente pour yj et par conséquent, de tous les paramètres qui en décou-lent. Les résultats sont les suivants :

Hauteur d’écoulement avant ressaut y1 = 0,137 m

Hauteur d’écoulement après ressaut y2 = 0,62 m

Longueur de la fosse L = 3,33 m

Élévation du lit h’ = 0,16 m

253

II est donc permis de constater qu’en considérant la conservation d’énergie entre les sections 0et 1, nous disposons d’une sécurité. accrue quant à la longeur du bassin de dissipation et del’importance de l’élévation du lit.

17.6.5 Chute verticale avec bassin en dévers

Cette structure est illustrée à la figure 17.18La chute verticale est actuellement utilisée pour lesconstructions en bois et en gabions. Quant au contre--épi, il est peu utilisé à cause principale-ment du fait qu’un faible ressaut se produit en aval de celui--ci et qu’il faut y protéger le coursd’eau. Il pourrait être utilisé lorsque l’excavation d’une fosse présente des problèmesmajeurs.

Encore ici, dans une première approche, nous supposerons qu’il y a conservation d’énergieentre la section 0 et la section 1 : nous ne considérons donc pas la perte d’énergie qui se produitlors de l’impact de la nappe avec le fond du cours d’eau. Pour cette raison, les paramètresd’écoulement à la section 1 et à la section 2 sont exactement les mêmes qu’à l’exemple précé-dent, soit

Section 1 :



Section 2 :



Énergie spécifique et totale H2 = E2 =0,764 m

Longueur du ressaut L = 4,4 m

Pour ce qui est de la longueur de la fosse, nous devons considérer en plus de la longueur duressaut, la distance horizontale parcourue par la nappe durant sa chute. Cette distance est obte-nue à partir de la figure 14.14 ou des équations [14.5] à [14.7]. Par laméthode graphique, noustrouvons avec yt = -- h + y2 = -- 0,75 m et yc = 0,413 m, soit :

yt yc = − 1, 8

Ld yc = 3, 9

et h yc = 3, 6

d’ou Ld = 1, 6 m

La longueur de la fosse est donc Ld + L= 6,0m, où la longueur du ressaut est de 4,4 m (section15.6.1).

Si nous utilisons un contre--épi pour favoriser le ressaut, sa hauteur sera évaluée en le considé-rant comme un déversoir trapézoïdal dont la base est approximativement la largeur au fond du

254

cours d’eau. Encore ici, le contre--épi est nécessaire pour la réalisation du ressaut (Y2 >Y3). IIest important de comprendre qu’une élévation du lit aurait également résolu ce problème.Nous supposons alors la formation de l’état critique sur le contre--épi, donc

V =g Ac

lc

avec b ≅ 2 m. Par résolution de cette équation, nous trouvons

Section 4 :



Énergie totale H4 = 0,764 m

Finalement, par conservation d’énergie entre les sections 2 et 4

E4 ≥ E2

h ≥ 0, 30 m

h + H4 ≥ H2

donc

La hauteur minimum du contre--épi nécessaire à la réalisation du ressaut est donc deh’ = 0,30 m. Cependant, ce déversoir n’est pas complet car y3 >h’. Ceci signifie que l’écou-lement sur le déversoir est influencé par la hauteur d’eau y3. II y aura donc une légère submer-sion du ressaut qui, dans le cas présent, influencera très peu le fonctionnement du seuil.

Si nous considérons la perte d’énergie lors de l’impact de la nappe avec le fond du cours d’eau,la hauteur d’eau avant ressaut y1 est obtenue par l’équation [16.3]. Nous trouvons alors lesvaleurs suivantes :

y1 = 0,176 m

V1 = 3,50 m/s

F’ = 2,7

k1 = 4,6

y2/y1 = 3,2

y2 = 0,56 m≥≥

V2 = 0.782 m

H2 = 0.59 m

Ld = 1,6 m L = 2,69 m

E4 ≥ E2

h’ ≥ 0,59 -- 0,462 = 0,13 m

255

Encore ici, le fait de considérer la conservation d’énergie entre les sections 0 et 1 permet unesécurité accrue dans le fonctionnement du seuil. Cette sécurité est procurée par un bassin dedissipation plus long et par un contre--épi plus haut.

17.6.6 Chute verticale avec fosse de dissipation

Dans cette utilisation de la chute verticale, l’énergie n’est pas dissipée par un ressaut hydrauli-quemais par la diffusion de la nappe dans la fosse de dissipation (figure 17.19). Dans ce cas, lanappe vient en contact avec l’eau de la fosse à une distance :

x = Vo t01

= Vo

2 h− y3g

Vo est la vitesse initiale de l’eau sur la crête, considérée ici comme étant la vitesse critique et,t01 est le temps de chute de la nappe entre le haut du seuil et la surface de l’eau en aval du seuil.

Nous trouvons x = 0,79 m.

La profondeur d’excavation du lit est obtenue par l’équation [14.8] de Veronese dans le cas oùles particules composant la fosse de dissipation ont un diamètre d90 inférieur à 17,5mm et parl’équation [14.9] de Schoklitsch dans les autres cas. Cette profondeur est donc fonction du dia-mètre dgo des particules composant le fond de la fosse quand celui--ci est supérieur à 17,5mm.Ce diamètre peut être modifié par l’ajout, dans le fond de la fosse, de pierres d’un diamètreapproprié.

Le tableau 2 indique la profondeur de la fosse de dissipation pour différents diamètres de pier-res utilisées pour les conditions d’écoulement présentées au début de cette section. Par exem-ple, pour un enrochement de la fosse composé de pierres dont le d90 est de 100mm, la profon-deur de la fosse serait de 40 cm (figure 17.19).

Tableau 2 Profondeur de la fosse de dissipation en fonction du diamètre des pierres utiliséesdans le fond de cette fosse.

d90 (mm) 1 5 20 50 100

s (m) 1,0 1,0 0,9 0,6 0,4

256

Figure 17.17 Chute inclinée avec bassin en dépression.

Figure 17.18 Chute verticale avec bassin en dévers.

SEUIL EN ENROCHEMENT LIBRE 257

Figure 17.19 Chute verticale avec fosse de dissipation utilisant des pierres d’un diamètred90 de 100 mm.

17.7 SEUIL EN ENROCHEMENT LIBRE

Le dimensionnement d’un seuil constitué d’un enrochement libre consiste à déterminer :

1. la forme et la dimension du déversoir

2. l’angle amont et l’angle aval de l’enrochement;

3. le diamètre des pierres de l’enrochement;

4. la longueur de la crête du déversoir dans le sens de l’écoulement;

5. le diamètre des pierres demême que l’épaisseur du recouvrement du bassin de dissipa-tion.

Les figures 17.20 et 17.21 présentent une vue en coupe longitudinale et une vue, en coupetransversale d’un seuil en enrochement dans un cours d’eau dégradé. On y retrouve égalementla représentation symbolique des différents paramètres qui s’y rattachent.

17.7.1 Déversoir

Pour les enrochements libres, la forme trapézoïdale pour le déversoir est préconisée. Cetteforme permet de calculer ses dimensions à l’aide de logiciels déjà existants et de plus, elle estfacilement réalisée sur le terrain.

La cote des ailes du seuil, de chaque côté du déversoir, devrait être supérieure de 200 à 300mmà la cote de l’eau en amont du seuil. Cette surélévation des ailes permettront d’assurer la pro-tection de la structure pour des débits supérieurs au débit du projet.

258

Figure 17.20 Coupe longitudinale d’un seuil en enrochement (coupe B -- B’ de lafigure 17.21).

Figure 17.21 Coupe transversale d’un seuil en enrochement (selon coupe A -- A’ dela figure 17.20) .

17.7.2 Angles d’enrochement

La forme de l’enrochement est caractérisée par l’angle amont (α) et par l’angle aval de celui--ci(θ): Le côté amont de l’enrochement n’étant soumis qu’à une pression hydrostatique, sa stabi-litémécanique sera assurée par un angle amont d’enrochement égal à l’angle de repos des pier-res (φ). À titre indicatif, la figure 7.1 donne l’angle de repos des pierres en fonction de leurdiamètre et de leur forme. Cette figure a été obtenue à partir d’enrochement à granulométrie

SEUIL EN ENROCHEMENT LIBRE 259

uniforme. Dans les cas d’un enrochement à granulométrie étendue, le D85e de l’enrochementsera utilisé.

D’autre part, à cause de la pression hydrostatique exercée par l’écoulement de l’eau sur lespierres du côté aval de l’enrochement, l’angle aval de cet enrochement doit être égal ou infé-rieur à l’angle de repos des pierres. Cette pression est d’autant plus grande que le débit unitaire(débit par mètre de largeur de crête) est grand. Par contre, la stabilité de l’enrochement du côtéaval augmentera avec le diamètre des pierres et l’angle de repos des pierres utilisées. Cet angleaval d’enrochement ne peut donc être déterminé qu’en tenant compte de plusieurs paramètres.Son évaluation est présentée à la section suivante.

17.7.3 Diamètre des pierres de l’enrochement

La détermination du diamètre des pierres requises pour la partie aval est déterminée par lemodèle développé par Stephenson (1979) (équation [7.12]) en connaissant l’angle aval del’enrochement, l’angle de repos des pierres et le débit unitaire.

17.7.4 Longueur de la crête

La longueur de la crête, dans le sens de l’écoulement, devrait être de 3 fois la hauteur d’eau surla crête du déversoir, considérée comme étant la hauteur critiqué yc, soit T = 3 yc (Stephenson,1979). Cette longueur permet de stabiliser l’écoulement sur la crête en diminuant la turbulencesur celle--ci.

17.7.5 Diamètre des pierres du bassin de dissipation

Le bassin de dissipation étant horizontal, le diamètre des pierres nécessaires à son recouvre-ment pourra être plus petit que le diamètre des pierres de l’enrochement du seuil. Selon lemodèle développé par Stephenson (1979), ce diamètre est fonction de la vitesse maximale del’écoulement dans le bassin de dissipation et de l’angle de repos des pierres. II est donné par:

[17.15]D85b =250 V2

1g (γs − 1) tan

≈ 15V21

tan

D85b = diamètre pour lequel 85% des pierres du bassin de dissipationsont plus petites (mm); et,

V1 = vitesse de l’écoulement avant le ressaut (m/s).

L’épaisseur du recouvrement du bassin (e) sera de l’ordre de 1,5 fois le diamètreD85b calculépour les pierres du bassin si une membrane (géotextile ou géomembrane) est utilisée entrel’enrochement et le sol de fondation. Si aucune membrane n’est prévue, une épaisseur mini-male de 2,0 fois le diamètre D85b devra être utilisée.

260

17.7.6 Considérations pratiques pour la construction

Afin d’obtenir une structure plus compacte, un enrochement à granulométrie étendue est pré-férable à une granulométrie uniforme. Ce type d’enrochement diminue la porosité et augmentela possibilité de son colmatage, rendant la structure plus stable à long terme.

La réalisation d’un remblai en amont de l’enrochement permet de mieux fixer le géotextile etde rendre son utilisation beaucoup plus efficace. D’autre part, ce remblai contribue à stabiliserla pente amont de l’enrochement.

Dans le cas de structures plus importantes, il est possible d’envisager l’utilisation d’un noyauen terre (figure 4.10). Le géotextile sera alors placé entre le noyau et le recouvrement fait d’en-rochement qui sera dimensionné comme précédemment et dont l’épaisseur devra être d’aumoins E = 1,5 D85e.

Figure 17.22 Seuil en enrochement avec un noyau..

Lorsque l’enrochement se fait sur un cours d’eau recreusé, il est possible de n’utiliser que lerecouvrement de la chute inclinée (figure 4.11). Le diamètre D85e des pierres et l’épaisseur durecouvrement se calculent alors comme précédemment.

La clé, située à la base de l’enrochement et sous le déversoir, remplit normalement une doublefonction. D’abord elle assure la stabilité du seuil contre le glissement horizontal sous la pous-sée hydrostatique et la poussée des terres en amont de la structure. D’autre part, lorsque lesvides entre les pierres de la clé sont comblés par des particules de sol sédimentées, cette cléaugmente la distance de percolation sous la structure et assure la stabilité du seuil contre l’af-fouillement. Il est à noter que cette clé n’est pas toujours nécessaire. En effet, l’enrochementlibre tel que proposé est déjà stable par rapport au glissement horizontal, de sorte que dans cecas l’utilisation de la clé à cette fin ne peut qu’améliorer la stabilité contre des poussées plusimportantes qui pourrait être occasionnées par les glaces ou par la formation d’embâcle auniveau du déversoir. Dans le cas de l’affouillement, le calcul de la distanceminimale de perco-lation permettra d’évaluer la pertinence de l’utilisation de cette clé de même que ses dimen-sions.

SIPHONNEMENT 261

Figure 17.23 Seuil en enrochement dans un cours d’eau recreusé.

17.8 SIPHONNEMENT

La construction d’un seuil dissipateur d’énergie dans un cours d’eau entraîne inévitablementune différence de charge piézométrique entre l’amont et l’aval de ce seuil. Cette différence decharge force l’eau à percoler au travers du sol de fondation et du sol de remblai. Lorsque lastructure est perméable (enrochement, gabions, bois) cette percolation a également lieu au tra-vers de la structure elle--même (figures 3.3 et 3.4). Les forces de percolation peuvent alorsentraîner les particules fines du sol dès que le gradient hydraulique critique est atteint, soitic =ρs/ρw , rapport du poids volumique immergé du sol au poids volumique de l’eau. Ce phé-nomène peut se produire en aval ou en--dessous de la structure. Le siphonnement de ces parti-cules procède alors de l’aval vers l’amont, réduisant ainsi la longueur de percolation de l’eau.Il en résulte une augmentation du gradient hydraulique et une accélération de la dégradation dusol de fondation.

Afin de prévenir le siphonnement des particules fines du sol, les distances de percolationdevront être suffisantes pour réduire le gradient hydraulique à une valeur inférieure au gra-dient critique (ic). Cette percolation s’effectuera préférentiellement par le chemin ayant la pluspetite longueur hydraulique et donc celui qui offre le moins de résistance à l’écoulement. Cechemin ne correspond pas nécessairement au plus court chemin géométrique. Il se situe géné-ralement sur la ligne de contact entre la structure et le sol de fondation (ou de remblai) lorsquece dernier est très argileux ou de granulométrie très étendue. Par contre, pour des sols de fonda-tion très perméables, le chemin hydraulique le plus court correspond globalement au chemingéométrique le plus court.

La distance de percolation nécessaire pour éviter le siphonnement sera alors fonction de la tex-ture du sol de fondation (et/ou de remblai) et également de la différence maximale entre lacharge piézométrique en amont de la structure et celle en aval. Pour les petits ouvrages tels

262

Figure 17.24 Percolation de l’eau avec siphonnement des particules fines du sol deremblai et du sol de fondation au travers et sous le seuil en enrochement.

Figure 17.25 Percolation de l’eau avec siphonnement des particules fines du sol de rem-blai et du sol de fondation au travers et sous le seuil en bois.

ceux concernés par ce rapport, cette distance peut être évaluée sécuritairement en utilisant larègle de Lane, soit :

[17.16]Lp = cp ∆H

∆H = différence de charge piézométrique (m)

Lp = distance de percolation (m)

cp = coefficient de percolation (tableau 15.2).

SIPHONNEMENT 263

Tableau 15.2 Coefficient de percolation pour différentes textures de sol (Agostini et al, 1982 etHouk, 1956).

Matériau de fondation(ou de remblai)

Coefficient depercolation (cp)

Limons et sables très fins (< 0,125 mm) 8,5Sables fins (< 0,250 mm) 7,Sables moyens (0,500 mm) 6,0Sables grossiers (< 2,0 mm) 5,0Graviers fins (< 8 mm) 4,0Graviers moyens (<16 mm) 3,5Graviers grossiers avec galets (<130 mm) 3,0Gros galets avec graviers (<250 mm) 2,5Argile plastique 3,0Argile consistante 2,0Argile dure 1,8Hardpan 1,6

La distance de percolation Lp est cependant une distance pondérée. En effet, selon les observa-tions de Lane, les distances verticales de percolation contribuent de façon plus importante queles distances horizontales à la résistance à l’écoulement. De sorte que la distance pondérée Lp

est évaluée par :

[17.17]Lp = Lv +Lh

3

Lv = somme des distances verticales de percolation (m);

Lh = somme des distances horizontales de percolation (m).

Si la percolation s’effectue le long d’une pente, la distance sera prise verticale si l’angle de lapente est supérieur à 45° et horizontale si l’angle de la pente est inférieur à 45°.

Le coefficient de percolation est donné au tableau 15.2 pour différents types de sol. Ce coeffi-cient est élevé pour des sols relativement perméables composés de particules fines car ces par-ticules sont entraînéesmême à de faibles vitesses de percolation. Par contre, les sols composésde matériaux grossiers, bien que très perméables, résistent à des vitesses de percolation éle-vées. Quant aux argiles, les vitesses de percolation sont très faibles et leur cohésion est élevée.Ceci explique donc que le coefficient de percolation pour ce dernier type de sol soit très petit.

Afin d’empêcher le siphonnement des éléments fins du sol de fondation vers l’aval du seuil,deux solutions sont à considérer. La première consiste en l’installation d’une membrane syn-

264

thétique imperméable (géomembrane) entre la structure et le sol de fondation (et de remblai).Cette membrane force l’eau à percoler sous la structure ou autour de celle--ci sur une distanceminimale déterminée par la règle de Lane. L’eau émerge donc en aval de cette structure (figure17.26). La deuxième solution consiste en l’utilisation d’un filtre. Ce dernier peut être fait dematériaux synthétiques tel que les géotextiles ou d’un filtre naturel inversé, c’est--à--dire unfiltre dont la granulométrie est proportionnelle au sens de l’écoulement (figure 17.27). Ce fil-

Figure 17.26 Percolation de l’eau sans siphonnement des particules fines du sol deremblai et du sol de fondation sous le seuil en enrochement recouvertd’une membrane imperméable..

Figure 17.27 Percolation de l’eau sans siphonnement des particules fines du sol de rem-blai et du sol de fondation au travers et sous le seuil en bois recouvert d’ungéotextile.

SIPHONNEMENT 265

tre permet de retenir les particules fines du sol de fondation tout en permettant à l’eau de letraverser. Il a donc pour effet d’éviter le siphonnement de la structure même en présence d’ungradient hydraulique supérieur au gradient critique. Cependant, dans l’éventualité de son col-matage, le filtre devra également s’étendre sur une distance évaluée à l’aide de la règle deLane, tout comme pour la membrane imperméable.

Pour effectuer le choix de la membrane imperméable ou du géotextile requis, il est fortementrecommandé de consulter les représentants techniques des fournisseurs. En effet, les produitsofferts sont très nombreux et variés et ils diffèrent d’un fournisseur à l’autre. De plus, chaquefournisseur garantit la qualité de ses produits dans la mesure où ils sont utilisés selon leurs cri-tères de dimensionnement ; ces derniers diffèrent également selon les fournisseurs.

De façon générale, pour les petites structures concernées par ce document, les principalescaractéristiques recherchées pour une géomembrane seront sa résistance à la perforation et à latraction de même que son élasticité.

En plus des qualités requises pour une géomembrane, le géotextile utilisé à des fins de filtra-tion devra répondre à des critères de perméabilité, de rétention de particules de sol et de com-patibilité à long terme avec les sols de fondation et de remblai.

La dimension des pores de même que la porosité du géotextile lui confèrent une perméabilitérelativement élevée par rapport à la majorité des sols. Lorsque les pores du géotextiles ne sontpas colmatés, cette perméabilité permet de diminuer la pression hydrostatique en amont de lastructure hydraulique. Cette diminution de la pression statique permet à son tour d’augmenterla pression effective dans le sol de remblai et donc d’améliorer la stabilité mécanique de l’ou-vrage. La perméabilité du géotextile devrait idéalement se rapprocher de celle du sol a filtrertout en lui étant supérieure. Dans les sols cohérents cependant, la perméabilité du géotextilepourra être de deux ordres de grandeur plus élevée que celle du sol (Polyfelt, 1991), soit :

[17.18]kg ≥ 100 ks (sol cohérent)

kg = perméabilité du géotextile

ks = perméabilité du sol à filtrer

Cependant, dans les sols à faible cohésion, à cause de leur sensibilité à la mise en boulance, laperméabilité du géotextile devra être dix fois plus grande que celle du sol à filtrer (Koerner,1986), soit :

[17.19]kg ≥ 10 ks (sol pulvérulent)

Toutefois, à cause de sa souplesse, la perméabilité du géotextile est fonction de la chargeméca-nique qui s’exerce sur celui--ci. Cette perméabilité diminue avec une augmentation de lacharge mécanique. Les spécifications fournies par le fabricant permettra de connaître lesconditions pour lesquelles la perméabilité du géotextile a été mesurée.

266

Le deuxième rôle que remplit le géotextile est la rétention des particules de sol. À cet égard, legéotextile ne retient pas directement les particules fines du sol, mais il encourage plutôt la for-mation de ponts entre les particules grossières. Ces ponts favorisent la formation d’un filtrenaturel en amont du géotextile. Il s’en suit que les pores du géotextile peuvent être de dimen-sion supérieure aux particules de sol, ceci étant particulièrement vrai pour les sols à granulo-métrie étendue et pour les sols cohérents. Plusieurs approches ont été développées pour éva-luer la dimension idéale des pores du géotextiles (Polyfelt, 1991; Koerner, 1986; Rollin, 1985;Rollin et al, 1985; Rankiler, 1980). Toutes ces approches comparent la granulométrie du solavec la dimension des pores du géotextile (la distribution des pores du géotextile selon leurdiamètre est très rarement disponible). Les ouvrages hydrauliques concernés par ce rapportétant en majorité à faible risque, le critère suivant est recommandé (Koerner, 1986):

[17.20]O95 < 2, 5 d85s

O95 = diamètre pour lequel 95 % des pores du géotextile sont plus petits

d85s = diamètre pour lequel 85 % des particules de sol sont plus petites.

Il est à noter que le diamètre des poresO95 est comparable à l’ouverture apparente (AOS) et àl’ouverture effective des pores (EOS). Cette règle est applicable dans tous les types de sol et estparticulièrement sécuritaire pour les sols à granulométrie étendue et pour les sols cohérents.

La compatibilité à long terme du géotextile avec le sol de remblai et le sol de fondation réfèrentau colmatage du géotextile. Ainsi, un risque élevé de colmatage se présente lorsque les condi-tions suivantes sont réunies: a) sol sans cohésion; b) sol composé de deux ou plusieurs sols àgranulométrie étendue (gap--grandd); c) gradient hydraulique important.

Dans ces conditions, la porosité d’un géotextile non--tissé devra être supérieure à 40% tout enrespectant les conditions déjà mentionnées pour la perméabilité et pour l’ouverture des pores(Koerner, 1986).

Le filtre naturel inversé, à cause de la difficulté de son installation et des coûts élevés qui endécoulent, n’est pas recommandé pour les ouvrages traités dans ce document.

SIPHONNEMENT 267


17.1. À une étape de votre étude d’un cours d’eau, celui--ci a une profondeur de 1,25 m, unepente de 0,0028 m/m, une base de 1,5 m et une pente des talus de 1,5: l. Les données devotre étude montre que le débit de design est de 2,5 m3/s et que la profondeur normaled’écoulement et la vitesse sont respectivement de 0,77met 1,22 m/s pour un coefficientde rugosité de 0,028. Le sol est un loam sableux Beaurivage (description pédologiqueci--jointe).

a ) Comme la vitesse est trop élevée, une solution serait d’enrocher le fond du coursd’eau. Quelle grosseur de roches recommanderiez--vous?

b ) Si vous construisiez des seuils dissipateurs d’énergie au lieu d’enrocher le fond ducours d’eau, déterminez la vitesse maximale et la pente sécuritaire du cours d’eauaménagé entre les seuils.

c ) Avec la construction de seuils dissipateurs d’énergie, vous auriez besoin de calculerla profondeur critique d’écoulement. Quelle est cette profondeur critique d’écoule-ment?

d ) Pour la construction de seuils dissipateurs d’énergie, quelle hauteur de chute recom-manderiez--vous?

17.2. Un cours d’eau se ravine et vous êtes appelé sur les lieux pour faire des recommanda-tions. Le cours d’eau actuel et raviné a une pente de 0,32m/100m et une section approxi-mativement trapézoïdal avec une base de 2,0 m et une pente des talus de 1,4:l. Le sol estsable St--Samuel (description pédologique ci--jointe). Les données de votre étude mon-tre que le débit de design est de 2,2 m3/s. Une option que s’offre est de construire desseuils dissipateurs d’énergie en enrochement libre.

a ) Déterminez la vitesse maximale et la pente sécuritaire du cours d’eau aménagé entreles seuils.

b ) Avec la construction de seuils dissipateurs d’énergie, vous avez besoin de calculerla profondeur critique d’écoulement. Quelle est cette profondeur critique d’écoule-ment en considérant la section actuelle du cours d’eau?

c ) Quelle hauteur de chute recommanderiez--vous et pourquoi?

d ) En faisant l’hypothèse de conservation de l’énergie dans le déversoir et la chute,déterminez la hauteur d’énergie au pied de la chute. Vous considérez que vous avezla profondeur critique d’écoulement sur le déversoir.

e ) Si la chute et le bassin de dissipation d’énergie sont de forme trapézoïdal avec unebase de 1,8 m et une pente des talus de 2:1, déterminez les profondeurs à l’amont età l’aval du ressaut dans le bassin de dissipation.

CHAPITRE 18Bassins de rétention et de sédimentation

18.1 BASSIN DE RÉTENTION

18.2 BASSINS DE SÉDIMENTATION

18.2.1 Bassin sec

18.2.2 Bassin humide

Ferguson, B. K. 1998. Introduction to Stormwater -- Concept -- Purpose -- Design. JohnWiley,Toronto

SCS, 1986. Urban Hydrology for Small Watersheds. Technical Release 55, second edition,Soil Conservation Service, Washington.

MDDEP/MAMROT, 200?. Guide de gestion des eaux pluviales. téléchargeablehttp://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/pluviales/guide.htm. Consulté le 8 décembre 2011.

272 BASSINS DE RÉTENTION ET DE SÉDIMENTATION

18.3 BASSIN DE RÉTENTION

Figure 18.1 Schéma d’un bassin de rétention.

Figure 18.2 Bassin de rétention.

Figure 18.3 Laminage d’une crue par un bassin de rétention.

BASSIN DE RÉTENTION 273

Figure 18.4 Volume de stockage du bassin.

Figure 18.5 Volume de stockage des bassins (Soil Conservation Service, 1986)


18.3.1 Structures de contrôle

Figure 18.6 Structures de contrôle

BASSIN DE RÉTENTION 275

18.3.2 Impact hydrologique


18.4 BASSIN DE SÉDIMENTATION

La vitesse de sédimentation est selon Loi de Stoke :

[18.1]V =980 (G− 1) D2

30 η

[18.2]T =30 η

980 (G− Gl)LD2

V = vitesse de sédimentation (cm / min)

∆ = diamètre effectif (mm)

η = vixcosité de la soltion (Poise)

G = densité des particules

L = distance parcourue par la particule entre la surface du liquide et leniveau d’enfoncement de l’hydromètre (cm)

T = temps de sédimentation(min)

Temps de sédimentation des particules

Dimension des particules Temps de sédimentation sur 1 m

Graviers 1 sec

Sable grossier 10 sec

Sable fin 2 min

Limons + 100 min

Argiles + 800 jours

BASSIN DE SÉDIMENTATION 277

18.4.1 Bassin sec

[18.3]V = Ruissellement pluie de 12 heures − 3 jours

[18.4]Qh = Vtsed

[18.5]h =2 hmax3


18.4.2 Bassin humide

Figure 18.7 Efficacité des bassins humides en fonction du temps de séjour.

[18.6]Vpiscine = Tsejou Qin

[18.7]Profondeur moyenne = Vsed tsejour

[18.8]Surface =Vpiscine

Profondeur moyenne

Débit moyen = le plus grand débit mensuel

BASSIN DE SÉDIMENTATION 279

Figure 18.8 .

CHAPITRE 19Génie végétal

19.1 INTRODUCTION

Le génie végétal se définit comme l’utilisation de plantes vivantes, de parties de celles--ci et desemences afin de résoudre les problèmes de l’ingénieur dans les domaines mécaniques de laprotection contre l’érosion , de la stabilisation et de la regénération des sols (Lachat, 1995)

Adam, P., N. Debiais, F. Gerber et B. Lachat. 2008. Le génie végétal -- Unmanuel technique auservice de l’aménagement et de la restauration des milieux aquatiques. Ministère del’écologie, du développement et de l’aménagement durables. La documentation fran-çaise, 290 p.

Adam, P.,Malavoi, J.R.&Debiais, N. 2007.Manuel de restauration hydromorphologique descours d’eau. Agence de l’Eau Seine--Normandie. DEMAA -- Service eaux de surface.

Lachat, B. 1994. Guide de protection des berges de cours d’eau en techniques végétales (encollaboration avec Ph. Adam, P.--A. Frossard, R. Marcaud). Ministère de l’Environne-ment. Paris. DIREN Rhône--Alpes.

282 GÉNIE VÉGÉTAL

19.2 BOUTURE (Cutting/slip)

Figure 19.1 Schéma type d’implantation de boutures de saule (Adam et al., 2008).

MARCOTTAGE 283

19.3 MARCOTTAGE (Layering (plant) ; layer)

Figure 19.2 Schéma de principe pour la mise en ceuvre d’une marcotte (Adam et al., 2008).


19.4 PEIGNE (Live brush gully plugging)

Figure 19.3 Coupe type d’un peigne (Adam et al., 2008).

FASCINE D’HÉLOPHYTES 285

19.5 FASCINE D’HÉLOPHYTES (Marsh reed roll/swamp reed roll)

Figure 19.4 Coupe type d’une fascine d’hélophytes (Adam et al., 2008).


19.6 TRESSAGE DE SAULES (Willow weaving)

Figure 19.5 Coupe type d’un tressage de saules (Adam et al., 2008).

Figure 19.6 Détails de mise en oeuvre à travers une vue en plan (Adam et al., 2008).

FASCINE DE SAULES 287

19.7 FASCINE DE SAULES (Willow fascine)

Figure 19.7 Coupe type d’une fascine de saules (Adam et al., 2008).

Figure 19.8Détails demise en ceuvre à travers une vue en plan de l’ouvrage en coursd’exécution (Adam et al., 2008).


19.8 COUCHE DE BRANCHES À REJETS (live brush mattress)

Figure 19.9 Coupe type de couches de branches à rejets (Adam et al., 2008).

289

Figure 19.10Détails de réalisation de couches de branches à rejets à travers une vue en plan(Adam et al., 2008).

290

19.9 LIT DE PLANTS ET PLAÇONS (Hedge brush layer)

Figure 19.11 Coupe type de lits de plants et plançons renforcés aumoyen de «boudins»de géotextile (Adam et al., 2008).

CAISSONS VÉGÉTALISÉS 291

19.10 CAISSONS VÉGÉTALISÉS (Log cribwall with branchlayers)

Figure 19.12 Coupe type de caissons végétalisés à double parois (Adam et al.,2008).

292

19.11 TREILLAGE--BOIS (Wooden grating)

Figure 19.13 Treillage--bois (Adam et al., 2008).

a) Vue de face

b) Vue en coupe.

TECHNIQUES MIXTES 293

19.12 TECHNIQUES MIXTES

Figure 19.14 Exemple de profil type d’aménagement associant empierrement de piedet techniques végétales (en l’occurrence des lits de plants et plançons ren-forcés au moyen de boudins de géotextile) (Adam et al., 2008).

CHAPITRE 20Aménagement / Restauration

20.1 INTRODUCTION

Ce chapitre présente d’une façon plutôt succincte différents courants liés à l’aménagement et àla restauration des cours d’eau. Ce chapitre n’a pas la prétention de couvrir toutes les appro-ches et les philosophies qui sont derrière elles. La restauration des cours d’eau est domaineplutôt récent et les approches présentées ne font pas toujours l’unanimité. Les approches ouvisions actuelles sont à la jonction de la vision hydraulique des ingénieurs (évacuation desdébits, protection contre les inondations, stabilité hydraulique, protection contre l’érosion,drainage, etc.), la vision géomorphologique de géographes (morphologie des cours d’eau,corridor, méandrisation, zone de liberté, etc.) et la vision écologique des biologistes (préserva-tion des habitats, frayères, etc.).

20.2 TERMINOLOGIE

Il est important de présenter les définitions des différentes termes qui sont utilisés concernantles interventions dans les cours d’eau.

Restauration (restauration) : le retour complet du cours d’eau aux structures et fonction-nalités antérieures. La restauration écologique (USDA--NRCS, 2007) est le proces-sus de ramener un écosystème dans un état aussi près que possible des conditions etdes fonctions connues avant les perturbations.

Réhabilitation (rehabiltation) : le retour partiel à certaines conditions antérieures. L’ob-jectif de la réhabilitation est de rendre à nouveau la ressource fonctionnelle et pro-ductive. Elle implique la récupération de fonctionnalités et des processus d’un habi-tat dégradé. Elle n’implique pas nécessairement le rétablissement des conditions

296 AMÉNAGEMENT / RESTAURATION

avant perturbation mais implique l’établissement de conditions qui supportent lesattributs de l’écosystème naturel

Amélioration (enhancement : toute technique permettant d’améliorer la qualité environ-nementale d’un cours d’eau.

Création (creation) : développement d’une ressource non existante sur le site. C’est uneaction très rare.

Naturalisation (naturalization) : utilisation des processus naturels pour créer un sys-tème fonctionnel.

Mitigation (mitigation) : mesures pour compenser les inconvénients d’une intervention.

20.3 APPROCHE UTILITAIRE

Dans le passé, l’aménagement des cours d’eau était vu dans une vision utilitaire. Les coursd’eau étaient creusés, redressé, canalisés dans un objectif de drainage des terres agricoles, deprotection contre les inondations et de régularisation des débits. Le redressement avait souventcomme objectif de faire des parcelles de terrain les plus rectangulaires possible pour faciliterles opérations culturales par les équipements. Des barrages étaient construits comme retenusd’eau pour les besoins de l’irrigation.

Les aspects environnementaux et écologiques étaient très peu considérés et souvent, pas dutout. Les écologistes et les géographes ont remis en cause cette approche.

Cette approche en en voie d’être abandonnée.

20.4 AGIR OU LAISSER FAIRE LA NATURE

Il existe une philosophie qui considère que la nature retrouve toujours ses droits et qu’un coursd’eau a besoin de liberté. Un cours d’eau dans une plaine cherchera toujours à se méandriser.Son lit est mobile et il faut le respecter. Les plus ardents défenseurs de cette philosophie consi-dèrent qu’il est préférable de laisser faire la nature que d’intervenir et ils considèrent que lanature trouvera toujours un équilibre.

À l’autre extrême, se retrouvent ceux qui considèrent que l’homme fait partie de la nature etqu’il est justifier d’utiliser la nature à ses fins. Cette philosophie peut être résumée par l’énoncésuivant “Nous devons intervenir pour protéger la sécurité des gens et de leurs biens”.

L’équilibre se retrouve probablement entre ces deux extrêmes. Il existe des situations où lesconditions naturelles actuelles sont en déséquilibre. Le climat changeant avec le temps est sou-vent une cause des perturbations. Une bonne connaissance des lois de la nature est fondamen-tale pour bien analyser les situations. Les connaissances fines de ces lois et des mécanismesd’action sont parfois déficientes.

LE COURANT RESTAURATION 297

20.5 LE COURANT RESTAURATION

Les interventions passées dans les cours d’eau (redressement, canalisation, construction debarrages, régulation des débits, etc.) et les modifications de l’utilisation des sols dans le bassinversant (urbanisation, culture intensives) amènent souvent un dégradation des cours d’eau(érosion des talus, régression de fond, disparition de la végétation riveraine, aspect visuel dés-olant et monotone, disparition d’espèces, etc.). Cette dégradation amène les responsables et lapopulation à demander des actions. Ce courant est très important en Europe. Il signifie pourcertains, de ramener le cours d’eau dans son état initial avec la reconstruction de méandres etd’un nouveau lit et le rétablissement de l’écosystème avant perturbations.

Dans un ouvrage qui regroupe le travail de plusieurs auteurs, Brooke and Shields (1996) pré-sente les différents éléments théoriques reliés à la restauration, les différentes approches et plu-sieurs exemples. Les aspects hydrauliques, géomorphologiques et habitats sont traités. Uneapproche hollistique est préconisée. La restauration doit considérer les aspects multifonction-nels qu’ils soient hydrologiques, morphologiques, écologiques, qualité de l’eau ou esthéti-ques. La restauration ne doit pas considérer que le lit du cours d’eau mais tout son corridor.

La restauration des cours d’eau est une discipline en plein développement.

20.6 L’APPROCHE DU USDA--NRCS

Aux États--Unis, il y a plus d’un siècle que l’état intervient dans l’aménagement des coursd’eau. Les vingt dernières années ont vu l’apparition d’une approche orientée restauration etréhabilitation. Le USDA--NRCS ont développé deux ouvrages (USDA--NRCS, 1998;USDA--NRCS, 2007) traitant de la restauration et de la réhabilitation des cours d’eau.USDA--NRCS (2007) présente trois approches : design au seuil limite, cours d’eau alluvionnaires,cours d’eau à deux niveaux.

20.6.1 Design au seuil limite (threshold channel design)

L’approche de design au seuil limite considère que les forces d’écoulement (vitesse, force trac-tive) sont inférieures à une valeur seuil (vitessemaximale, force tractricemaximale) qui puissemettre en mouvement les particules de sol sur le fond ou les talus. Les limites (section, géomé-trie, frontières) du cours d’eau sont considérées comme stables.

C’est l’approche la plus connue et la plus utilisée par les ingénieurs depuis de nombreusesannées. C’est l’approche utilisée au chapitre 6.

20.6.2 Cours d’eau alluvionnaires

Les cours d’eau alluvionnaires ont un lit et des talus formés de matériaux transportés par lecours d’eau. Il y a un échange de sédiments entre ceux transportés par le débit et les talus et le lit


du cours d’eau. Les sédiments transportés par un cours d’eau alluvionnaire ont tendance à êtreplus grossiers et en plus grande quantité que dans un cours d’eau conçu au seuil limite. Commeles cours d’eau alluvionnaires naturels peuvent ajuster leur largeur, leur profondeur, leur penteet leur forme aux changements de débits ou de charges sédimentaires, il ne sont pas aussi stati-ques que les cours d’eau au seuil limite. Le lit des cours d’eau alluvionnaires estmobile dans laplaine d’inondation. Le but du design ’un cours d’eau alluvionnaire est de réaliser un coursd’eau qui est en équilibre dynamique ou a une stabilité géomorphologique. L’érosion des taluset lamigration du lit sont considérés commedes phénomènes naturels Lorsque la migration dulit devient inacceptable, l’ingénierie doit intervenir.

La prise en considération de la charge sédimentaire, du débit plein bord et des phénomènesgéomorphologiques sont des aspects importants du design. Ce type de design n’est pas consi-déré dans ce document.

20.6.3 Cours d’eau à deux niveaux (Two stage channel design)

Les canaux traditionnels trapézoïdaux nécessitent souvent beaucoup d’entretien et ne permet-tent pas des considérations écologiques lors du design. L’approche à deux niveaux (USDA--NRCS, 2007) considère un gradin qui fonctionne comme une plaine d’inondation et qui essaiede reproduire les processus alluvionnaires. Cette approche est destinée pour les canauxconventionnels mais elle pourrait s’appliquer au cours d’eau avec incision profonde.

20.7 L’APPROCHE BIOTEC -- GÉNIE VÉGÉTAL

Adamet al. (2008a) présentent une approche pragmatique à la restauration et à la réhabilitationdes cours d’eau dans un contexte d’utilisation du génie végétal pour solutionner des dysfonc-tionnements.

Ils présentent une typologie de classification des cous d’eau en fonction de la puissance spéci-fique, l’état de l’érodabilité des berges et du potentiel d’apport solide en sédiments.De plus, ilsdéfinissent un indice d’efficience probable de la restauration envisagée basée sur les trois para-mètres énoncés précédemment et de deux autres qui sont l’emprise disponible et l’état de laqualité de l’eau.

Ils énoncent les concepts généraux de restauration et de niveaux d’ambition. Une opération derestauration hydromorphologique peut être menée passivement ou activement. La restaura-tion passive est associée à une réduction des forces de dégradation. Plus un cours d’eau estpuissant, avec des berges facilement érodables et des apports solides importants, plus sa res-tauration sera facile, peu coûteuse et avec des effets rapides. Les actions utilisent le potentiel derégénération du cours d’eau. Une restauration active (interventions lourdes) sera nécessairesur les cours d’eau peu puissants, peu actifs et à faible apports solides.

LA NATURALISATION 299

Ils définissent trois grandes catégories d’actions (niveaux d’ambition des travaux de restaura-tion) :

si le fonctionnement morpho--écologique est encore bon : des actions de préserva-tion comme des opérations de sensibilisation, de protection ou de maîtrise foncièredes secteurs menacées (achats de terres, contrats d’exploitation extensive, etc.);

si le fonctionnement morpho--écologique est légèrement dégradé mais encore cor-rect : des actions qui bloquent les dysfonctionnements (stabilisation d’une incision,meilleure gestion des débits, etc.);

si l’état est dégradé, trois niveaux d’objectifs sont possible :

objectif de restauration d’un compartiment de l’hydrosystème souvent pisci-cole (restauration d’habitats) au moyen de déflecteurs, petits seuils, caches,frayères, etc. et avec intervention dans l’emprise actuelle;

objectif de restauration fonctionnelle plus globale avec l’amélioration de tousles compartiments aquatiques et rivulaires (transport solide, habitat aquati-que, nappe alluviaire et ripisylve) qui nécessite une emprise foncière plusimportante (exemple : reméandrage léger);

les objectifs précédents plus un espace de mobilité et de fonctionnalité, ce quientraîne une restauration complète de l’hydrosystème incluant la dynamiquede l’érosion et du corridor fluvial. L’emprise nécessaire est au minimum del’ordre de dix fois la largeur du lit mineur avant restauration.

20.8 LA NATURALISATION

L’approche de la naturalisation a été présenté par Rhoads et Herricks dans Brooke and Shields(1996). L’objectif de la naturalisation est déterminer les configuration morphologiques et éco-logiques qui sont compatibles avec les taux et les grandeurs des processus fluviaux contempo-rains. Le terme compatible réfère aux configurations qui produisent des systèmes géomorpho-logiques et écologiques stables, diversifiés, auto--régulés dans un contexte de l’utilisation desressources naturelles par l’homme. Le système, quoique différent du système avant interven-tion, peut être d’intérêt.

Un exemple de naturalisation est la revégétalisation de la rives de la rivière St--Charles à Qué-bec. Les conditions d’urbanisation et de modification du bassin versant ne permettaient pas derestaurer la rivière dans son état antérieur. Un nouveau système de végétalisation des berges aété créé dans le contexte actuel.

Le contexte d’exploitation des terres agricoles ne permet pas de ramener les cours d’eau dansleur état original mais des systèmes intéressants peuvent y être créés.

20.9 CONCLUSION

Cette présentation est très sommaire et ne donne qu’un aperçu.


BIBLIOGRAPHIE

Adam, Ph., Malavoi, J.R. & Debiais, N. 2008a. Manuel de restauration hydromorphologiquedes cours d’eau. Agence de l’Eau Seine--Normandie. DEMAA -- Service eaux de sur-face. 161 p. (téléchargeable à : http://www.biotec.ch/pubannee.html)

Adam, Ph., Debiais, N., Gerber, F. & B. Lachat. 2008b. Le génie végétal -- Un manuel techni-que au service de l’aménagement et de la restauration des milieux aquatiques. Ministèrede l’Écologie, de l’Énergie, du Développement durable et de l’Aménagement du terri-toire. La Documentation Française. 290 p.

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Lachat, B. 1994. Guide de protection des berges de cours d’eau en techniques végétales (encollaboration avec Ph. Adam, P.--A. Frossard, R. Marcaud). Ministère de l’Environne-ment. Paris. DIREN Rhône--Alpes. 143 p. (téléchargeable à : http://www.biotec.ch/pubannee.html)

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notions d’hydrauliqueen milieurural - web …il existe un grand nombre de mots pour désigner les...

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