stage pfe annee 2012-2013

STAGE PFE

ANNEE 2012-2013

Nom et prénom de l'étudiant : M. ADRINKAYE Ahina

Filière :

ASI HOE IEE

IEN ME SEM

PROJET

Nom de l'entreprise/du laboratoire:

ARTELIA Eau et Environnement

Adresse :

6, Rue de Lorraine

38130 Echirolles

France

Nom et prénom du Maître de Projet (dans l'entreprise/le laboratoire) :

Mme ANDRE Aurélie

Rapport confidentiel : Oui Non

ETUDES SUR MODELE PHYSIQUE DES REGIMES HYDRAULIQUES

PERMANENTS ET TRANSITOIRES DANS DES CANAUX COUVERTS

ETUDE SUR MODELE PHYSIQUE DES REGIMES HYDRAULIQUES PERMANENTS ET TRANSITOIRES DANS DES CANAUX COUVERTS

AHINA ADRINKAYE — STAGE PFE 2012-2013

p. 1

REMERCIEMENTS

Avant de commencer ce rapport, je tiens à remercier tous les membres de l’équipe Hydraulique

des Ouvrages d’ARTELIA Eau et Environnement pour leur accueil et pour m’avoir permis de réaliser

ce stage dans un cadre plaisant.

J’adresse mes remerciements à Monsieur Claude GUILBAUD, chef d’équipe Hydraulique des

Ouvrages, grâce à qui j’ai eu connaissance de ce stage et qui a su me donner cette opportunité.

Je tiens à remercier tout particulièrement Mme Aurélie ANDRE, mon maître de stage, pour son

encadrement, ses remarques et conseils qui m’ont aidé tout au long de ce stage.

Je remercie également M. Laurent DESVIGNES et Mlle Sandra COLAUTTI avec qui j’ai eu

plaisir à travailler.

Enfin, je tiens à adresser des vifs remerciements à mes parents qui m’ont toujours soutenu et

sans qui mes études n’auraient été possibles.



p. 2

SOMMAIRE

INTRODUCTION ................................................................................................................ 3

1. Présentation d’ARTELIA ........................................................................................... 4

2. Contexte et objectifs de l’étude ................................................................................ 5

2.1. Contexte de l’étude ......................................................................................................... 5

2.2. Objectifs de l’étude ......................................................................................................... 5

3. Description du modèle physique .............................................................................. 6

3.1. Conception du modèle .................................................................................................... 6

3.1.1. Similitude et choix de l’échelle ........................................................................................................ 6

3.1.2. Emprise de la station ....................................................................................................................... 9

3.1.3. Fonctionnement de la station d’épuration ................................................................................... 11

3.1.4. Représentation modèle ................................................................................................................. 14

3.1.5. Construction du modèle ................................................................................................................ 17

4. Mesures réalisées .................................................................................................. 18

5. Essais sur modèle physique .................................................................................... 21

5.1. Prise en main du modèle ............................................................................................... 21

5.2. Design de la chambre de dérivation ............................................................................... 24

5.3. Optimisation des déversoirs .......................................................................................... 28

5.4. Optimisation de la chambre de dérivation ..................................................................... 29

5.5. Optimisation des orifices ............................................................................................... 36

5.6. Optimisation du temps d’ouverture des vannes de décharges ........................................ 36

CONCLUSION .................................................................................................................. 37

ANNEXES ........................................................................................................................ 38

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................. 1

RESUME ............................................................................................................................ 2



p. 3

INTRODUCTION

Ce document constitue mon rapport de stage de fin d’études, réalisé du 04 mars au 31 août

2013, au sein du groupe international d’ingénierie ARTELIA. Ce stage de fin d’études, ultime étape de

ma formation, est l’aboutissement de trois années d’école d’ingénieur dont la dernière a été effectuée

dans le cadre d’un programme d’échange entre 2ie (école d’origine) et l’ENSE3.

Au cours de ce stage chez ARTELIA, j’ai eu pour mission d’étudier sur modèle physique, les

régimes hydrauliques permanents et transitoires dans des canaux couverts d’une station d’épuration.

Cette étude a été réalisée dans le cadre d’un projet d’agrandissement de la station d’épuration, qui

prévoit la construction de nouvelles unités de prétraitement. L’étude a pour buts de vérifier et

d’optimiser le design des nouveaux ouvrages de la station d’épuration. À cet effet, une batterie

d’essais sur modèle physique a été réalisée.

Dans le cadre de cette mission, j’ai participé activement aux différentes phases de l’étude :

conception du modèle, réalisation d’essais, analyse des résultats et optimisation du design des

ouvrages.

Après une présentation de l’entreprise ARTELIA et du contexte de l’étude, seront abordés les

différents travaux que j’ai pu réaliser tout au long de mon projet de fin d’études.

Pour des raisons de confidentialité, le nom de la station d’épuration et tous les acteurs de ce

projet ne seront pas exposés dans le présent rapport.



p. 4

1. PRESENTATION D’ARTELIA

HISTORIQUE

ARTELIA est un groupe indépendant d’ingénierie, de management de projet et de conseil né de

l’union de COTEBA et de SOGREAH en mars 2010. Le groupe exerce ses métiers dans 9 domaines :

bâtiment, eau, énergie, environnement, industrie, maritime, multi-sites, transport et ville.

ARTELIA dispose d’un réseau régional de 35 agences en France et de 50 implantations

internationales dans 40 pays. En 2011, le chiffre d’affaires consolidé du groupe était de 317 millions

d’Euros et l’effectif permanent a dépassé les 2700 collaborateurs. La part du chiffre d’affaires à

l’international, réalisé à la fois par l’exportation des services des équipes basées en France et

directement par les filiales internationales, dépasse 30 %. ARTELIA est un groupe en croissance dont

la rentabilité est historiquement bonne.

Depuis le 2 janvier 2012, ARTELIA est structuré en quatre filiales détenues à 100 % :

ARTELIA Bâtiment & Industrie

ARTELIA Eau & Environnement

ARTELIA Ville & Transport

ARTELIA International (réseau des filiales et succursales internationales).

La filiale Eau et Environnement, à laquelle j’étais rattaché dans le cadre de mon stage,

regroupe les branches suivantes :

maritime

énergie, barrages et aménagements hydrauliques

énergies renouvelables

ressources en eau et modélisation

environnement

Ma mission, elle, s’est déroulée au sein de l’équipe Hydraulique des Ouvrages de la branche

« énergie, barrages et aménagements hydrauliques ».

ACTIVITES

ARTELIA fournit des services de conseil dans les domaines suivants :

Eau et environnement : eau potable, assainissement, traitement des eaux usées,

gestions des déchets solides, environnement et aménagement fluvial, estuaire ou

littoral, irrigation et drainage, gestion des ressources naturelles, dépollution des sols,

audits industriels, études d’impacts environnementaux et légaux.

Energie et système électriques : hydroélectricité, sources d’énergie thermiques et

alternatives, conceptions de systèmes électriques, transport et distribution, réseau de

communication/multimédia, équipements électriques et gestion centralisée, système

d’automatisme de procédé et de télégestion.

Infrastructures : barrages, barrages d’alimentation et collinaires, tunnels et réseau

souterrains, ports et terminaux spécialisés, marinas, canaux et écluses, installations

hydrauliques, infrastructures de transport



p. 5

Aménagement urbain et régional : urbanisme régional, aménagement régional et

industriel, programmes d’aménagements touristiques, sportifs et récréatifs, VRD,

rénovations d’infrastructures, aménagement de centre-ville, gestion de la circulation,

de l’éclairage public et signalisation routière, réhabilitations de sites, des carrières et

friches industrielles, gestion régionale intégrée.

2. CONTEXTE ET OBJECTIFS DE L’ETUDE

2.1. CONTEXTE DE L’ETUDE

Dans le cadre des travaux de refonte du traitement biologique d’une station d’épuration, des

travaux d’agrandissement sont prévus. Une nouvelle unité de prétraitement (Prédenitrification) doit

être construite en complément des unités de traitement (Clarifloculation et Nitrification) déjà

existantes. On souhaite faire transiter par cette nouvelle unité, une partie des effluents de la station

d’épuration.

Pour ce faire, de nouveaux ouvrages hydrauliques doivent être construits pour relier la nouvelle

unité de prétraitement aux unités existantes. Il s’agit des stations de pompage et de canaux couverts,

appelés carneaux, qui permettront d’alimenter la nouvelle unité de Prédenitrification. Les nouvelles

stations de pompage et celles existantes peuvent éventuellement s’arrêter brusquement, provoquant

des intumescences (ondes de surface) qu’il est important d’estimer pour la conception des nouveaux

canaux couverts de liaison.

Compte tenu de la complexité des phénomènes hydrauliques (intumescences), une étude sur

modèle physique des régimes permanents et transitoires, dans les canaux de la station d’épuration, a

été réalisée. Elle a pour objet de vérifier, et d’optimiser le cas échéant, le design des nouveaux

ouvrages hydrauliques.

ARTELIA Eau et Environnement a été chargée de cette étude sur modèle physique et de la

définition de la géométrie de ces ouvrages hydrauliques.

C’est dans ce contexte que s’inscrit le stage de fin d’études que j’ai réalisé au sein de l’équipe

Hydraulique des Ouvrages d’ARTELIA Eau et Environnement.

2.2. OBJECTIFS DE L’ETUDE

Nécessité du modèle physique

Les aménagements hydrauliques comme les stations d’épuration sont généralement complexes

et très couteux. Il est judicieux avant la mise en œuvre de tous travaux de construction, de bien

étudier les paramètres qui régissent leur fonctionnement.

Dans le cas de la station d’épuration étudiée, les ondes de surface provoquées par les

éventuels arrêts brusques des équipements électromécaniques (stations de pompage) peuvent mettre

fortement en pression les nouveaux canaux couverts. Un modèle numérique 1D a été mis en œuvre

mais ne permet pas une étude approfondie des phénomènes d’ondes de surface.



p. 6

La modélisation physique intervient dans ce cadre pour étudier de manière concrète, ces

phénomènes hydrauliques complexes. Elle permet en l’occurrence d’étudier les régimes hydrauliques

permanents et transitoires dans les canaux couverts de la station d’épuration.

Objectifs de l’étude

L’objet de l’étude est de reproduire par modélisation physique, les régimes hydrauliques

permanents et transitoires dans les canaux couverts d’une station d’épuration. L’étude de ces régimes

hydraulique doit permettre de vérifier, et d’optimiser si nécessaire, les dimensions des nouveaux

canaux couverts de la station d’épuration. Un certain nombre de critères de fonctionnement doivent

être respectés. Ces critères sont :

Aucune mise en pression des canaux couverts existants ;

Mise en pression inférieure à 0.5mCE pour les nouveaux canaux couverts

Aucune perturbation des conditions d’alimentation des stations de pompage

existantes (Station de pompage de la Nitrification)

Pour ce faire, nous avons procédé méthodiquement. Dans un premier le temps, les régimes

hydrauliques ont été reproduits et étudiés avec un design initial fourni par le commanditaire du projet.

Par la suite de nombreuses vérifications et optimisations ont été réalisées pour améliorer le design

ainsi que le fonctionnement global de la partie étudiée de la station d’épuration.

3. DESCRIPTION DU MODELE PHYSIQUE

3.1. CONCEPTION DU MODELE

3.1.1. Similitude et choix de l’échelle

SIMILITUDES

Un modèle physique ne peut représenter l’ensemble des phénomènes qui se produisent dans la

nature. Il convient tout de même de reproduire rigoureusement certains phénomènes en vue du but

recherché. Quel que soit l’étude par modélisation physique envisagée, le passage de la réalité au

modèle se fait toujours par similitude.

L’objet de ce modèle étant la reproduction et l’analyse des régimes hydrauliques permanents et

transitoires dans les carneaux, la similitude hydraulique dite de Froude est la mieux adaptée. En

effet, cette similitude garantie une excellente reproduction des forces de gravité, d’inertie et de

turbulence qui conditionnent et génèrent les phénomènes étudiés.

En outre, elle permet la bonne reproduction des écoulements à surface libre dans les carneaux

et ainsi que celle des éventuelles mises en charge locales. Les intumescences sont particulièrement

bien représentées, leur propagation dans la géométrie des carneaux (canaux couverts) ainsi que leur

déformation par les divers obstacles rencontrés.



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ECHELLES DU MODELE

L’échelle géométrique du modèle a été choisie en tenant compte des facteurs suivants :

Bonne reproduction des différents phénomènes étudiés ;

Précision des mesures ;

Dimension et coût de construction du modèle.

Échelle géométrique :

L’échelle géométrique choisie pour la construction du modèle est le 1/20ème

parce que

satisfaisant bien les facteurs susmentionnés. En effet, cette échelle géométrique permet d’avoir une

bonne reproduction des différents phénomènes hydrauliques que nous voulons étudier. Les régimes

hydrauliques permanents et transitoires dans les carneaux sont particulièrement bien représentés.

Les autres échelles du modèle sont déduites à partir de l’échelle géométrique en appliquant la

loi de similitude de Froude:

cstehg

VFr

Échelle des vitesses : On applique la loi de similitude du nombre de Froude.

1

m

m

mhg

VFr ; appliqué au modèle

1

r

rr

hg

VFr ; appliqué à la réalité

1r

m

Fr

Fr

Autrement dit :

On déduit l’échelle des vitesses

Fr : nombre de Froude

V : vitesse (m/s)

g : accélération de la pesanteur (9.81 m/s2)

h : hauteur (m)

Avec (Échelle géométrique)

Soit



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Échelle des débits :

On part de la définition du débit : avec

2

mmm hVQ (a)

2

rrr hVQ (b)

En remplaçant les termes suivant dans l’équation : et

On obtient l’échelle des débits :

Échelle des temps :

m

m

mV

hT (c)

r

rr

V

hT (d)

En remplaçant les termes suivants dans l’équation : et

On obtient l’échelle des temps :

Échelle des forces : similitude dynamique

On part de la définition de la force : avec

P homogène à ; hhS

22

2m

mmm h

VF

2

2

2r

rrr h

VF

En remplaçant les termes suivant dans l’équation ci-dessus : et

On obtient l’échelle des forces :

F: force en N

P: pression dynamique en Pa

S : surface en m2

;



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3.1.2. Emprise de la station

La partie modélisée de la station d’épuration est constituée d’une unité de Clarifloculation reliée

par des carneaux à des unités de Nitrification et de Prédenitrification (nouvelle unité).

Le carneau existant de 900m de longueur relie l’unité de Clarifloculation(en tête de station) à

l’unité de Nitrification. D’amont en aval de ce carneau se trouvent les ouvrages suivant:

Une chambre de répartition comportant deux vannes de décharge qui permettent de

rejeter à la Seine, les effluents en provenance de la Clarifloculation.

Une portion fusible à 500 m en aval de la Clarifloculation. Cette portion fusible est

prévue pour permettre une éventuelle connexion du carneau existant à un nouveau

carneau. Elle est par la suite remplacée par un ouvrage de dérivation

Un groupe de station de pompage pour la Nitrification, installé directement à

l’extrémité du carneau existant (en aval de la portion fusible). Ces stations de

pompages (6 au total) assurent l’alimentation de l’unité de Clarifloculation. Leur débit

maximum est de 53.3m3/s

La nouvelle unité de Prédenitrification est reliée au carneau existant, au niveau de la chambre

de dérivation, par le biais d’un nouveau carneau. Le nouveau carneau de liaison est divisé en deux

parties par un voile de séparation. La partie amont du voile alimente l’unité de Prédenitrification et la

partie aval assure le retour des eaux Prédénitrifiées vers la Nitrification. Ce nouveau carneau de 400m

comprend :

Des demi-stations de pompage pour la Prédenitrification (6 au total), installées en

bordure du nouveau carneau de Prédenitrification. Ces demi-stations de pompage

alimentent la nouvelle unité de Prédenitrification ; leur débit maximum est de 26m3/s.

Des cheminées déversantes (18 au total), soit 3 cheminées par demi-stations. Elles

déversent le débit pompé dans l’unité de Prédenitrification.

Des ouvrages de restitution, des bâches déversantes, qui assurent la restitution des

eaux Prédénitrifiées dans le carneau retour. Ces bâches déversantes jouent

également un rôle tampon.

Une zone de déversement est prévue en entrée du carneau de Prédenitrification pour

assurer éventuellement le by-pass vers Nitrification, de l’excédent de débit non-traité

par la nouvelle unité.

En prévision des mise en pression éventuelle du nouveau carneau, des orifices sont

prévue en partie haute de ce dernier afin d’assurer les échanges air-eau entre les

deux parties du carneau.

La figure ci-dessous présente le plan d’ensemble de la station d’épuration.


AHINA ADRINKAYE — STAGE PFE 2012-2013 p. 10

Vue d’ensemble de la station



p. 11

3.1.3. Fonctionnement de la station d’épuration

CIRCUIT HYDRAULIQUE

Le schéma hydraulique de fonctionnement est le suivant :

Un débit est fourni en tête de station par la Clarifloculation et/ou le Relèvement inférieur (station

de pompage voisine de la Clarifloculation). Ce débit est acheminé par les carneaux, en fonction de la

phase de la station, soit directement à la Nitrification ou soit en passant par l’unité intermédiaire de

Prédenitrification. La station d’épuration connait deux phases de fonctionnement :

La phase travaux est caractérisée par la construction des aménagements de la

chambre de dérivation sur le carneau existant. Cette chambre de dérivation doit

permettre en phase définitive, la dérivation du débit en tête de station vers l’unité de

Prédenitrification. Durant la phase travaux, la station d’épuration connaît une période

d’arrêt de fonctionnement afin que les travaux de construction puissent être réalisés.

A la remise en eau de la station en phase travaux, des batardeaux obstruent le

passage des eaux vers la Prédenitrification. De ce fait, le débit de tête en provenance de

la Clarifloculation et/ou du Relèvement inférieur, ajouté à un retour de débit (flottateur) en

aval de la chambre de dérivation, est pompé à la Nitrification

La phase définitive est caractérisée par la mise en fonctionnement de la nouvelle unité

de Prédenitrification. Le débit de tête en provenance de la Clarifloculation et /ou du

Relèvement inférieur est dérivé vers les stations de pompage de Prédenitrification, à

partir de la chambre de dérivation. Un retour de débit (diffuseur) est également injecté

directement dans le carneau de Prédenitrification en amont des stations de pompage.

En raison de la capacité de traitement limitée de la Prédenitrification, une partie de ce

débit est by-passé directement vers la Nitrification par le biais de déversoirs. Les eaux

Prédénitrifiées sont déversées dans un ouvrage de restitution. Ces ouvrages (des

bâches déversantes en l’occurrence), assurent la restitution du volume d’eau

Prédénitrifiée dans le carneau retour. Ce volume d’eau Prédénitrifiée est

potentiellement supérieur au volume d’eau pompé depuis le carneau vers l’unité de

Prédenitrification. Les eaux Prédénitrifiées sont acheminées à la Nitrification par le

biais des carneaux nouveaux.

Il faut noter toutefois que les bâches déversantes qui recueillent le volume d’eau Prédénitrifiée

se vident en 5 minutes en cas d’arrêt du pompage de la Prédenitrification.

Le schéma synoptique ci-dessous présente le circuit hydraulique dans la station d’épuration :



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Circuit hydraulique en phase définitive

CAS D’EXPLOITATION

La station modélisée présente plusieurs cas d’exploitation. Chaque cas d’exploitation est la

combinaison d’un débit, d’une alternative d’alimentation et d’une hypothèse de fonctionnement.

Les valeurs et la répartition des débits dans la station d’épuration sont assez variables

selon les cas d’exploitation envisagés. Le terme calcul est employé pour désigner les

différents débits de la station d’épuration. Il existe cinq débits d’exploitation possibles.

Le tableau ci-après consigne les valeurs et la répartition de ces débits entrée et sortie

des différentes unités de la station. Les valeurs des débits retour (flottateur et

diffuseurs) sont également consignées.



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Tableau des débits d’exploitation

Calcul Débit (m3/s)

N° Nom

Clarifloculation +RI

Déversoirs Pompage

Nitrification

Retour flottateur

Nit

Retour diffuseurs Prédenitrification

Pompage Prédenitrification

Retour carneau Prédenitrification

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

1 Max process phase définitive 47 23.49 53.12 2.33 2.49 26 27.31

6 Debit max sans by-pass 23.51 0 29.64 2.33 2.49 26 27.31

7 Débit moyen 12.1 0 29.16 2.33 2.49 14.59 26.83

8a Max travaux 51 0 53.3 2.33 0 0 0

8b 90%max travaux 45 0 47.3 2.33 0 0 0

Une alternative qui représente la répartition des débits en tête de station entre la

Clarifloculation et le Relèvement inférieur.

Une hypothèse représente les scénarios de coupure brutale des pompages de la

Nitrification et/ou de la Prédenitrification. En effet, il est possible que les stations de

pompage de la Nitrification et/ou de la Prédenitrification puissent s’arrêter

brusquement en 2 secondes. Ces arrêts brusques des stations de pompage

provoquent des intumescences dans les carneaux (régime transitoire).

Trois hypothèses ont été étudiées :

L’hypothèse travaux qui représente l’arrêt des stations de pompage de la

Nitrification en phase travaux (ClarifloculationNitrification).

L’hypothèse 1 qui représente l’arrêt concomitant des stations de pompage de

Nitrification et de Prédenitrification en phase définitive.

L’hypothèse 2 qui représente l’arrêt des stations de pompage de la

Prédenitrification seules en phase définitive. Pour cette hypothèse, tout le débit en

provenance de la Clarifloculation est by-passé par les déversoirs en entrée du

nouveau carneau de Prédenitrification.

Chaque hypothèse est combinée à une option (sauf pour l’hypothèse 2) :

Option 1 : Cette option prévoit la continuité de débit de tête au niveau de la

Clarifloculation/Relèvement inférieur lors de la disjonction des stations de pompages

de la Nitrification/Prédenitrification. Pour évacuer ce débit non pompé à la

Nitrification/Prédenitrification, les vannes de la chambre de dérivation s’ouvrent 15

secondes après la disjonction des stations de pompage. Les temps d’ouverture des

vannes sont optimisés



p. 14

Option 2 : cette option prévoit l’arrêt du débit en tête de station au moment de la

disjonction des stations de pompage de Nitrification.

3.1.4. Représentation modèle

Le modèle physique a été conçu de manière à reproduire fidèlement tous les phénomènes

hydrauliques à étudier. Les principaux éléments de la station ont été représentés à l’échelle.

Les carneaux de liaisons ont été représentés par des canaux couverts en plexiglas

transparent de façon à bien visualiser les écoulements en régime permanent et le

déplacement des ondes en régime transitoire.

La Clarifloculation et le Relèvement inférieur : ils ont été représentés par des

entrées de débit séparées en tête de modèle. Deux entrées de débit par la

Clarifloculation et une entrée par le Relèvement inférieur, ont assurée l’alimentation

en tête de modèle.

La chambre de répartition :

Les vannes de décharge de la chambre de répartition ont été représentées par des vannes

électromécaniques commandées par ordinateur. Les temps d’ouverture des vannes sont

programmables à l’aide d’un logiciel, de manière à respecter strictement la latence de 15 secondes

avant ouverture.

Pour représenter les niveaux de la Seine, un batardeau amovible a été placé en aval des

vannes de décharges de la chambre de répartition.

Un canal Rehbock a également été placé à l’aval de ces vannes, pour mesurer le débit rejeté

par ces dernières. Ce canal a été pourvu d’une sonde ultrason qui mesure la lame d’eau au-dessus du

déversoir, qui est par la suite convertie en débit grâce à une loi hauteur-débit connue. Deux ouïes

latérales ont été percées sur le canal pour permettre l’aération de la nappe déversante.

Représentation niveau de la Seine Chambre de répartition



p. 15

Le calage de la loi hauteur-débit est en annexe 1 du rapport.

Pompage de la Nitrification : il a été représenté par un circulateur avec 6 prises

d’eau sur le carneau de Nitrification. Le circulateur a été choisi de manière à assurer

le pompage du débit de Nitrification. Les 6 prises d’eau ont été pourvues de vannettes

de réglages et des lyres pour équilibrer les débits.

Pompage de la Prédenitrification

Les 6 demi-stations de la Prédenitrification ont été représentées par 6 batteries d’aspiration sur

le carneau de Prédenitrification reliées à deux circulateurs. Les circulateurs assurent le pompage du

débit de Prédenitrification. Des lyres permettant de vérifier l’équilibrage des débits au niveau du

pompage.

Les orifices sur le voile de séparation du carneau de Prédenitrification ont été

représentés par des baguettes amovibles pour permettre une éventuelle optimisation.

La chambre de dérivation a été reproduite sur la base du design initial donné par le

client.

Débits modèle

Pour représenter la répartition des débits dans le modèle, nous avons conçu un réseau de

tuyauterie en PVC. Ce réseau PVC a été conçu de manière à ce que tous les débits d’entrée, de

sortie et les débits de retour soient représenté.

Des débitmètres électromagnétiques ont été placés sur le réseau PVC pour mesurer la

répartition des débits dans le modèle. Des vannes de réglages manœuvrées par un opérateur (moi),

permettent de régler les débits.

Afin de représenter les différentes hypothèses (scénarios de coupure brusque des pompages

de la Nitrification et de la Prédenitrification), une vanne guillotine a été placée sur le tuyau PVC en

amont immédiat du circulateur de la Nitrification. Cette vanne guillotine fermée manuellement en 0.45

secondes modèle (soit 2 secondes nature), coupe le débit au niveau de la Nitrification. La coupure de

Prises d’eau Nitrification Circulateur



p. 16

débit au niveau de la Nitrification et de la Prédenitrification est à l’origine du régime transitoire dans les

carneaux.

Une autre conséquence immédiate de la fermeture brutale de la vanne guillotine est l’apparition

d’un coup de bélier dans les conduites en PVC. Pour protéger les conduites contre le coup de bélier,

nous avons décidé de mettre une cheminée d’équilibre en aval de la pompe de Nitrification. Le but est

de réduire l’ampleur du phénomène en substituant le débit par la réserve d’eau de la cheminée

d’équilibre au moment de la dépression.

Restitution des eaux Prédénitrifiées :

L’ouvrage de restitution des eaux Prédénitrifiées a été représenté par des bâches déversantes.

Deux problèmes ont été rencontrés quant à la représentation modèle à l’échelle géométrique :

Représentativité des écoulements sur les déversoirs : faible lame d’eau au-dessus

des déversoirs, qui induit des effets de tension superficielle. On n’est pas assez

représentatif de la réalité ;

Coût économique : dimensions des bâches trop grandes, ce qui génèrent des

coûts économiques assez élevés pour la construction.

L’astuce d’ARTELIA a été de modifier les dimensions des bâches tout en gardant les mêmes

volumes pour la lame d’eau au-dessus des déversoirs. Cette solution nous a permis d’avoir une lame

d’eau suffisante au-dessus des déversoirs pour être représentatif de la réalité et aussi de réduire le

coût de construction

Les cheminées déversantes :

Pour des raisons de coût de construction, les 9 cheminées déversantes de la Prédenitrification

ont été représentées par deux cheminées. Une cheminée représentant les 6 cheminées des

premières demi-stations et l’autre les 3 cheminées de la dernière demi-station de pompage.

J’ai effectué le dimensionnement de ces cheminées regroupant les débits déversées par les

cheminées, et en égalant les vitesses d’écoulement dans les conduites ; ceci a permis de dégager

une valeur de diamètre de cheminée. Le diamètre standard immédiatement supérieur a été choisi afin

Vanne guillotine

Cheminée d’équilibre



p. 17

de limiter les vitesses dans les cheminées et d’assurer la coupure de débit à l’arrêt du pompage de la

Prédenitrification.

Les déversoirs : ils ont été représentés par une batterie de 30 déversoirs à l’entrée

du carneau de Prédenitrification.

3.1.5. Construction du modèle

La construction du modèle physique a été réalisée par les équipes du laboratoire ARTELIA, en

forte interaction avec l’équipe d’Hydraulique des Ouvrages. Nous avons effectué un suivi régulier de

toutes les étapes de la construction. A la fin de cette phase, j’ai réalisé la réception géométrique du

modèle. Cette réception a consisté principalement à la vérification des dimensions du modèle afin de

s’assurer de la conformité avec le plan fourni par le client. Il est important en effet, pour la

reproduction des phénomènes hydrauliques étudiés, que le modèle construit soit strictement

représentatif du prototype à l’échelle.

Pour ce faire, j’ai effectué la vérification des dimensions du modèle à l’aide d’un réglet de

précision et le levé topographique grâce à une mire et un niveau.

Les erreurs absolues de l’ordre 1 mm modèle soit 2 cm nature ont été tolérées. Elles sont

estimées acceptables au vue de la précision demandée par le client.

Les photos en annexe 4, présentent les différentes parties du modèle

Cheminée déversante Bâche déversante



p. 18

4. MESURES REALISEES

MESURES DE NIVEAUX D’EAU

Ces mesures ont été réalisées pour le calage du modèle, le calcul des pertes de charge en

régime permanent et l’estimation des mises en charge en régime transitoire.

Pour ce faire, nous avons utilisé des réglets de précision, de prise de niveaux (pour la pression

statique), de sondes capacitives et ultrason.

Les prises de niveau ont été placées en amont et en aval de la chambre de dérivation

pour mesurer les pertes de charges en régime permanents ;

Les réglets de précision ont été placés aux extrémités du modèle pour le calage en

régime permanent ;

Les sondes capacitives et les sondes ultrason, reliées à un PC, ont mesuré en temps

réel les variations de niveau de la ligne d’eau aux points de mise en pression des

carneaux. Ainsi, des sondes ont été au niveau de la chambre de dérivation, dans la

zone des déversoirs, aux extrémités des carneaux de la Nitrification et de la


MESURE DE DEBITS

Ces mesures de débit ont été réalisées dans le but de vérifier la répartition des débits dans le

modèle. Pour ce faire, le modèle a été équipé de 9 débitmètres électromagnétiques qui mesurent en

temps réel le débit dans chaque partie du modèle. Une autre mesure de débit a été effectuée sur le

modèle à l’aide du canal Rehbock, qui mesure le débit rejeté en cas d’ouverture des vannes de la

chambre de répartition.

Sonde capacitive

Sonde ultrason



p. 19

MESURES DE PRESSIONS AU PLAFOND

Ces mesures de pressions ont été réalisées dans le but de déterminer les charges exercées sur

les plafonds des carneaux au passage de l’onde de disjonction. Ces mesures sont importantes pour

définir les caractéristiques des dalles (plafond des carneaux) capables de résister à ces surpressions.

Pour ce faire, des capteurs de pression dynamique ont été placés aux endroits subissant des

fortes mises en pression d’après les observations visuelles pendant les essais. De ce fait, des

capteurs ont été placés notamment au plafond de la chambre de dérivation, au niveau du retour

flottateur et des diffuseurs.

Le principe de fonctionnement de ces capteurs est le suivant : la membrane interne du capteur

subit une déformation lors de la mise en pression de la zone d’emplacement ; cette déformation crée

un changement de résistance électrique aux bornes du capteur. La variation de résistance électrique

est convertie en pression.

MESURES DE VITESSES

Les mesures de vitesses ont été réalisées en entrée du pompage de la Nitrification, dans le but

de comparer les profils de vitesses obtenus avec le nouveau design aux anciens profils de vitesse

(sans aménagement). Ces mesures ont été réalisées à l’aide d’un micro moulinet, qui calcule les

vitesses de l’écoulement en cm/s sur un pas de temps choisi de 10 secondes. Les profils de vitesses

sont établis en réalisant des mesures à des profondeurs différentes sur la largeur des carneaux.

En l’occurrence, deux profils de vitesses ont été établis à 1 m et à 2 m du fond du carneau à

l’entonnement de la première et de la troisième prise d’eau de la Nitrification.

Débitmètre électromagnétique Afficheurs débitmètres



p. 20

MESURES D’EFFORTS

Ces mesures ont été réalisées dans le but de déterminer les efforts de dimensionnement des

guideaux. Elles ont été faites à l’aide de jauge de déformation fixées au-dessus des facettes des

guideaux de la chambre de dérivation. Les jauges de contraintes mesurent des déformations

infinitésimales dues à la pression dynamique exercée par l’eau sur les facettes des guideaux. Ces

déformations infinitésimales enregistrées sont en fait des moments de forces subies par les guideaux.

En multipliant les forces par le bras de levier, on obtient le moment des forces :

LFM f avec

Les maxima de moment obtenus sont considérés dimensionnant par le génie civil.

Les figures ci-après montrent le système de jauge de contrainte utilisé.

Jauges de contraintes sur les guideaux Etalonnage des jauges de contraintes

: Moment des forces en N.m

F : Force en N

: Bras de levier en m



p. 21

5. ESSAIS SUR MODELE PHYSIQUE

Les essais ont été réalisés au laboratoire ARTELIA. Ils ont pour but de vérifier et d’optimiser le

design des nouveaux aménagements de la station d’épuration.

Plusieurs essais ont été réalisés en les régimes hydrauliques permanents et transitoires. Un

essai a été défini comme la combinaison des éléments ci-dessous :

Une configuration géométrique initialement fournie par le client ;

Un calcul qui représente les valeurs et la répartition des débits dans le modèle ;

Une côte de régulation : niveau de calage du modèle ; deux côtes de régulation au

niveau de la Nitrification et une cote de régulation à la Prédenitrification ;

Une alternative, répartition des débits en tête de modèle ;

Une hypothèse qui définit les coupures brusques des pompages dans le modèle ;

Une option : continuité ou arrêt du débit en tête de modèle.

Durant cette phase, j’ai été chargé de la gestion des essais. J’ai réalisé les essais sur le modèle

physique, le dépouillement des résultats et la mise en place du nouveau design.

5.1. PRISE EN MAIN DU MODELE

La première partie des essais a permis d’effectuer une observation des phénomènes

hydrauliques dans le modèle en régime permanent et en régime transitoire. Des écoulements non

admissibles ont été repérés notamment des phénomènes de vortex à l’entrée du pompage de la

Nitrification et des écoulements turbulents dans la chambre de dérivation.

Au vue de ces phénomènes, nous avons mis en œuvre les solutions suivantes :

Système anti-vortex :

Pour résoudre le problème de formation de vortex au niveau du pompage de la Nitrification, un

système anti-vortex a été mis en place. Ce système comprend une cloche de forme trapézoïdale fixée

à l’entonnement des prises d’eau, à laquelle s’ajoute une paroi verticale. La cloche empêche

l’aspiration d’air à l’entrée de la prise d’eau et la paroi verticale permet d’éliminer la zone morte au

droit de la prise, sans toutefois gêner l’écoulement. Les résultats de ce système ont été très

satisfaisants.

La figure ci-après présente le système anti-vortex mis en place



p. 22

Vue de dessus du système anti-vortex

Temps de vidange des bâches déversantes :

Un essai a été réalisé pour vérifier le temps de vidange des bâches déversantes. A l’aide d’un

chronomètre et d’un réglet, j’ai mesuré le temps de vidange et le décrément du niveau d’eau dans les

bâches déversantes. Le temps de vidange prévu était de 5 minutes nature après l’arrêt du pompage

de la Prédenitrification. Le temps de vidange mesuré était supérieur au temps initialement prévu

La solution retenue était d’augmenter la longueur des déversoirs latéraux. Cette solution nous a

permis d’approcher le temps de vidange de la station d’épuration (voir tableau de mesure en annexes

3). Toutefois, le résultat obtenu a montré qu’on était représentatif seulement pendant les 3 premières

minutes. Après ce temps, la faible lame d’eau sur les déversoirs n’est plus représentative.

Profils des vitesses en régime permanent :

Les profils de vitesses au niveau de la Nitrification ont été établis en phase travaux. Le but est

de comparer les nouveaux profils de vitesses à ceux obtenus sans aménagements de la chambre de

dérivation (Etat actuel). Les mesures de vitesses ont été réalisées au micro moulinet. Le temps

d’acquisition des vitesses est de 10 secondes.

Les graphes ci-dessous présentent les profils de vitesses obtenus :



p. 23

Profils de vitesses au droit de la 1ère prise d’eau :

Profil de vitesses (débit Nitrification 53.3 m3/s)

Profils de vitesses au droit de la 3ème prise d’eau :

Profil de vitesses (débit Nitrification 53.3 m3/s)



p. 24

Résultats obtenus :

Le nouveau design permet d’avoir une moyenne de vitesses plus homogène en comparaison à

celle obtenue dans l’état actuelle. En effet, on observe sur les graphes que les vitesses au droit des

pompes 1 et 3 sont relativement constantes (2m/s) alors que celles obtenues en l’état actuel sont

hétérogènes. Le nouveau design n’engendre aucune aggravation des conditions d’alimentation du

pompage de l’unité de Nitrification.

5.2. DESIGN DE LA CHAMBRE DE DERIVATION

Design initial

Des essais en phase travaux ont été réalisés dans un premier temps pour tester le design initial

de la chambre de dérivation fourni par le client. On trouve entre autres éléments du design initial, deux

guideaux permettant d’orienter la veine liquide (à l’entrée et sortie de la chambre), des poteaux

existants, une forme triangulaire avec des batardeaux amovibles. Les batardeaux au niveau du

triangle servent de déversoirs également, car il permette de by-passer le débit de la Clarifloculation

vers la Nitrification. Le triangle en question a été conçu par le génie civil qui voudrait supprimer les

batardeaux et remplir l’ouvrage triangulaire de béton pour diminuer les temps de travaux dans la

chambre de dérivation. Le génie civil a prévu des poteaux de soutien de la dalle au-dessus de

l’ouvrage triangulaire, ce qui augmenterait sa hauteur. Les essais nous ont monté que l’ouvrage en

question joue un rôle important sur la mise en charge de la chambre de dérivation au passage de

l’onde. Une hauteur élevée de cet ouvrage augmente en effet le niveau de la ligne d’eau en amont de

la chambre de dérivation et exacerbe l’onde qui remonte de l’aval vers l’amont des carneaux.

Le plan ci-dessous présente une vue du design initial de la chambre de dérivation :

Design initiale de la chambre de dérivation



p. 25

Pendant les essais, des tests de l’impact de la hauteur des batardeaux sur les mises en

charges ont été réalisés. Deux configurations du design initial ont été testées en phase travaux :

Design initial avec les batardeaux de la chambre de dérivation à 1m ;

Design initial avec les batardeaux de la chambre de dérivation.

Nous avons observé en régime permanent, d’importants remous dans la chambre de dérivation

dans les cas ci-dessus. Un écart important entre la ligne d’eau amont et aval de la chambre de

dérivation a été observé pour le design avec les batardeaux fermés, moins important pour le design

avec batardeaux à 1 m. Des mises en pression du plafond de la chambre de dérivation ont été

enregistrées en régime transitoire au passage des ondes de disjonction pour les deux cas.

Les graphes ci-dessous présentent les résultats des mesures réalisées :

NB : Les points P3 et P11 des graphes représentent respectivement les points de mesures en amont

et en aval de la chambre de dérivation.

Graphe essai batardeaux 1m (débit 53.3m3/s)



p. 26

Graphe essai batardeaux 1m (débit 53.3m3/s)

Conclusion : Les phénomènes hydrauliques peu admissibles (remous, décollement de l’écoulement,

mise en pression) observés nous ont amené à concevoir un nouveau design de la Chambre de

dérivation.

Design théorique

J’ai réalisé sous la direction des responsables de l’étude, un premier design sur papier de la

chambre de dérivation. Ce premier design a été fait sur la base des éléments existants et inamovibles

de la chambre de dérivation. En effet, des poteaux de l’ancienne portion fusible (explicité au début du

rapport) ont servi de repère. A partir de de la distance entre les poteaux, j’ai déterminé la position du

nouveau guideau en appliquant un principe de d’élargissement de section. Un angle de divergence de

7° a été considéré pour minimiser les pertes de charges créées.

Au niveau de l’enveloppe extérieur du carneau latéral de la chambre de dérivation, un système

de cassure d’angle a été mis en place pour éviter le décollement brusque de l’écoulement. Par

raisonnement analogue, j’ai défini le guideau en sortie de la chambre de dérivation.

Le design ainsi obtenu a fait l’objet de test lors des essais. La figure ci-dessous présente les

modifications apportées.



p. 27

Design théorique

Pendant les essais avec le nouveau design, des optimisations supplémentaires ont été

effectuées. Le guideau en entrée de la chambre de dérivation a été rapproché du carneau latéral.

Les graphes ci-dessous présentent les mesures réalisées avec ce design ;

Graphe essai nouveau design (débit 53.3 m3/s)



p. 28

NB : les points P, P3, P11 et P13 représentent respectivement les points de mesures en entrée

de la Clarifloculation, en amont de la chambre de dérivation, en aval de la chambre de dérivation et à

l’extrémité du carneau de la Nitrification.

Conclusion

Le nouveau design a apporté des améliorations notamment une légère baisse de la ligne d’eau

amont de la chambre de dérivation en régime permanent. En régime transitoire, on a enregistré une

atténuation significative de l’onde de disjonction. Le nouveau design a donc permis d’établir des

conditions d’écoulement relativement meilleures à celles observées sur le design initial.

5.3. OPTIMISATION DES DEVERSOIRS

Deux observations ont été faites en phase définitive au niveau de la zone des déversoirs :

Ligne d’eau en aval des déversoirs (côté carneau retour) trop élevée en comparaison

aux résultats de la modélisation numérique, ce qui a priori devrait exacerber l’effet

des ondes.

Nous avons voulu tester l’impact d’un élargissement de la section aval de la zone de déversoirs

(côté carneau retour) sur le niveau de la ligne d’eau et donc l’effet des ondes de disjonction. Un essai

a été réalisé avec une largeur de la zone de déversoirs à 8.5 m au lieu de 6 m. Une baisse non

significative de la ligne d’eau a été obtenue. Ce résultat n’est pas assez conséquent pour justifier un

élargissement de la section qui engendrerait des coûts supplémentaires en termes de génie civil. La

largeur initiale de 6 m de la zone aval des déversoirs a été maintenue.

Pertes de charges importantes à l’entrée de la zone des déversoirs, dues au

croisement entre le retour d’eau de la Prédenitrification et la veine liquide en entrée du

canal de dérivation. En effet, la lame d’eau déversée par premiers déversoirs en

entrée du carneau de Prédenitrification vient croiser la ligne d’eau dans le carneau

retour provoquant d’importantes pertes de charge.

La figure ci-dessous présente le phénomène observé.

Croisements des écoulements en sortie du carneau retour



p. 29

Pour limiter ces pertes de charge, des optimisations ont été effectuées sur les côtes des

déversoirs.

Les 4 premiers déversoirs en entrée du carneau de Prédenitrification ont été rehaussés de sorte

à ce qu’il n’y ait pas de déversement même avec le débit maximum de fonctionnement. Le but de

cette manœuvre est d’éviter les remous en aval du voile de séparation.

Pour reprendre le débit non déversé en entrée du carneau de Prédenitrification, les cotes des

déversoirs suivants ont été abaissées. Ils ont été abaissés de manière à laisser une marge suffisante

pour éviter le déversement pour le débit le plus faible.

Une longrine sous la dalle de ce carneau a été retirer pour augmenter la surface de

communication entre les parties amont et aval du voile de séparation des carneaux.

5.4. OPTIMISATION DE LA CHAMBRE DE DERIVATION

Trois optimisations finales ont été réalisées au niveau de la chambre de dérivation :

Des cloisons siphoïdes ont été fixées sous le plafond de la chambre de dérivation. Le

but est de renforcer la capacité des déversoirs en by-passant une partie du débit

avant l’entrée dans le carneau de Prédenitrification.

Élargissement de l’enveloppe extérieure de la chambre de dérivation pour supprimer

la contraction de section à la sortie du carneau retour. Cette solution a eu pour

résultats l’amélioration de l’écoulement en sortie de la chambre de dérivation et

l’inversion du profil de vitesses au niveau du pompage de la Nitrification.

Cloison siphoïde dans la chambre de dérivation



p. 30

Les graphes ci-après présentent les résultats des mesures réalisées avec le design définitif.

Graphe niveau d’eau design amélioré (débit 53.3m3/s)

Une nette amélioration de l’écoulement en sortie de la chambre de dérivation notamment au

droit de l’enveloppe extérieure côté Nitrification a été établie.

Le tableau récapitulatif ci-dessous présente les résultats des mesures des différentes

optimisations réalisées depuis le test du design initial.



p. 31

Tableau des résultats de mesures de niveaux d’eau

Géométrie Débit modèle

(l/s)

Cote régulation Nitrification

(m)

Option 1: circuit ouvert 2: circuit fermé

ΔP1 (m) ΔP3(m) ΔP11(m) ΔP13(m)

Nouveau design batardeaux

fermés

29.8

23.68

2

0 0.2 0.19 0

Design amélioré Triangle plein

Ouverture connexion

entre Clarifloculation

et RI

23.68 0 0.17 0.16 0

Optimisation d'une pile de la

chambre de dérivation

23.68 0 0.15 0.15 0

Design final élargissement

enveloppe extérieure

23.68 0 0.12 0.12 0

Δ= niveau d’eau maximum – cote plafond (Δ=0 si cote plafond>niveau d’eau maximum)

Les résultats finaux obtenus pour le design de la chambre de dérivation sont :

Abaissement de la cote du triangle plein : la ligne d’eau a baissé de manière

significative, les pertes de charges ont aussi diminué.

Ouverture de la connexion entre la Clarifloculation et le relèvement inférieur : le

battement de la ligne d’eau en aval de la chambre de répartition a été atténué.

Elargissement de l’enveloppe extérieure des carneaux : amélioration de la veine

liquide en sortie de la chambre de dérivation et inversion du profil des vitesses à

l’entrée du pompage de la Nitrification.

Mesures de pressions exercées sur le plafond

Ces mesures ont été réalisées pour déterminer la pression exercée sur les plafonds lors des

passages des ondes de disjonctions. Ces mesures permettront le dimensionnement des dalles de la

station.

Des capteurs de pression dynamique ont été fixés aux plafonds du retour flottateur (CP1), des

diffuseurs (CP2) et de la chambre de dérivation (CP3)



p. 32

Le tableau ci-dessous présente les résultats caractéristiques de ces mesures :

Configuration

Points de mesure

Pression mCE (<)

Géométrie Débit

modèle (m3/s)

Alternative Cote de

régulation Nitrification(m)

Hypothèse Option

CP1 0.1 retenue

53.12 2 23.68 1 2

circuit fermé CP2 0.15 retenue

CP3 0.25 retenue

53.3 2 23.68 travaux 2

circuit

fermé

Ces pressions au plafond sont toutes inférieures à la pression maximale autorisée de 50 cm

.

Les graphes ci-dessous présentent les mesures réalisées :

Graphe pression au plafond du retour flottateur



p. 33

Graphe pression au plafond diffuseurs

Mesures d’efforts sur les guideaux

Le dimensionnement des guideaux de la chambre de dérivation nécessite la connaissance des

efforts qui leur sont appliqués dans les conditions d’exploitation les plus défavorables. Des mesures

sont réalisées à l’aide de jauges de contraintes fixées sur les différentes facettes des guideaux. Les

résistances électriques mesurées par les jauges de contraintes sont converties en moment de force

par simple similitude (voir chapitre similitude et choix d’échelle).

Six capteurs d’efforts ont été fixés sur chacune des facettes des guideaux :

Le tableau et graphe ci-dessous présentent les résultats des mesures d’efforts :



p. 34

Tableau des efforts en phase travaux

Configuration

Facette Efforts kN.m

(≤) Géométrie

Débit modèle (m3/s)

Hypothèse Option Alternative Cote de

régulation (m)

F11 40

finale 53.3 Travaux

1 ouverture

d'une vanne en 180s

2 23.98

F12 80

F13 120

F21 40

F22 70

F23 130

Tableau des efforts en phase définitive

Configuration

Facette Efforts kN.m

(≤) Géométrie

Débit modèle (m3/s)

Hypothèse Option Alternative Cote de

régulation (m)

F11 40

finale 53.12 1 Sans ouverture

de vanne 2 23.68

F12 80

F13 130

F21 40

F22 60

F23 130

Les valeurs ci-dessus montrent que les facettes des guideaux subissent des efforts variables en

fonction de la phase et des débits d’exploitation de la station d’épuration. On remarque notamment

que les efforts les plus importants exercés sur le guideau en entrée de la chambre de dérivation sont

enregistrés en phase définitive avec un débit d’exploitation de 53.12 m3/s ; alors que le guideau en

sortie de la chambre de dérivation subit des efforts plus important en phase travaux avec le débit

maximum d’exploitation (53.3 m3/s)

Le graphe ci-après présente les valeurs d’efforts mesurés :



p. 35

Graphe des efforts sur les guideaux (débit 53.3 m3/s)

Graphe des efforts sur les guideaux (débit 53.12 m3/s)



p. 36

5.5. OPTIMISATION DES ORIFICES

Des essais à plafond ouverts ont été réalisés dans le but d’optimiser les orifices à l’extrémité

des carneaux de Prédenitrification. En plus d’assurer les échanges air-eau dans ce carneau, les

orifices permettent également d’atténuer l’onde de disjonction en extrémité du carneau de


Dans un premier temps, un essai avec tous les orifices fermés a été réalisé. Le résultat a été un

débordement important des carneaux au passage de l’onde de disjonction. Ce qui démontre

l’importance des orifices pour l’atténuation des ondes.

Nous avons donc réalisé d’autres essais en fermant graduellement les orifices jusqu’au premier

débordement enregistré. Un résultat satisfaisant a été obtenu pour 4 orifices fermés.

5.6. OPTIMISATION DU TEMPS D’OUVERTURE DES VANNES

DE DECHARGES

Cette optimisation a pour but de déterminer le temps d’ouverture optimal des vannes de

décharges à même d’écrêter rapidement les ondes de disjonctions dans les carneaux. En effet, une

des options d’exploitation prévoit la continuité du débit en tête de modèle pendant la disjonction des

stations de pompage de la Nitrification et/ou de la Prédenitrification. Des scénarios d’ouvertures

possibles nous ont été donnés par le client :

Ouverture d’une seule vanne en 120 secondes ;

Ouverture séquentielle des deux vannes l’une après l’autre en 180 secondes ;

Ouverture simultanée des vannes en 180 secondes.

Pour ce faire, nous avons réalisé les essais les plus critiques en termes de niveau d’eau dans

les carneaux :

Tableau des essais d’optimisation de la chambre de dérivation

Configuration

Calcul Débit (m3/s) Hypothèse Option Alternative Cote de

régulation (m)

8a 53.3 travaux 1

Ouverture une vanne en 120 seconde

2 23.98

8a 53.3 travaux 1

Ouverture séquentielle de 2 vannes en 180 secondes

2 23.98

Les résultats obtenus pour ces 2 essais nous ont montré que l’ouverture d’une seule vanne en

120 secondes était largement suffisante pour écrêter l’onde de disjonction et faire passer l’excédent

de débit en provenance de la Clarifloculation (débit en tête de modèle).



p. 37

CONCLUSION

Le Projet de Fin d’Études réalisé au sein de l’équipe Hydraulique des Ouvrages (HY)

d’ARTELIA représente pour moi une riche expérience où j’ai pu exercer des tâches techniques et

essayer de résoudre le plus efficacement possible les problématiques et imprévus intrinsèques à un

modèle physique hydraulique de grande envergure.

Cette expérience m’a permis en effet de mettre en pratique les connaissances techniques

acquises au cours de mon cursus, de visualiser de nombreux phénomènes hydrauliques tels que les

déplacements des ondes de disjonctions, les écoulements sur les déversoirs et aussi d’apprendre

énormément en terme de connaissances théoriques (notamment les lois de similitudes en

hydraulique).

En outre, j’ai également pu évaluer l’importance du relationnel dans le métier d’ingénieur et

gagner en rigueur, notamment grâce à la gestion des essais au Laboratoire ARTELIA.

Seule l’ambiance de travail de l’équipe de projet reste déroutante, car affectée par moment par

le stress et le comportement difficile de certains collègues. Cela m’a toutefois permis de prendre

conscience de l’importance de ces facteurs sur la motivation quotidienne d’un employé au travail.

Il régnait malgré tout une ambiance généralement très humaine et chaleureuse au Laboratoire

et cela restera pour moi, l’un des points marquants de cette expérience.



p. 38

ANNEXES


p. 1

ANNEXE 1

Loi Hauteur-débit du canal Rehbock

Loi de débit : 2/3)/24.0782,1( LHePHeQ

Q : débit en m3/s H : hauteur de la lame d’eau en m

P : hauteur de la pelle en m ; P=0.32m L : largeur du canal en m ; L=0.34m

0011.0 HHe (m) Longueur du canal=4.68m

H (m) H (mm) Q (m3/s) Q (l/s) He (m)

0.02 20 0.002 1.87 0.0211

0.03 30 0.003 3.37 0.0311

0.04 40 0.005 5.14 0.0411

0.05 50 0.007 7.15 0.0511

0.06 60 0.009 9.39 0.0611

0.07 70 0.012 11.83 0.0711

0.08 80 0.014 14.47 0.0811

0.09 90 0.017 17.30 0.0911

0.1 100 0.020 20.31 0.1011

0.11 110 0.023 23.49 0.1111

0.12 120 0.027 26.83 0.1211

0.13 130 0.030 30.35 0.1311

0.14 140 0.034 34.02 0.1411

0.15 150 0.038 37.85 0.1511

0.16 160 0.042 41.83 0.1611

0.17 170 0.046 45.97 0.1711

0.18 180 0.050 50.25 0.1811

0.19 190 0.055 54.69 0.1911

0.2 200 0.059 59.26 0.2011

Pelle 320 mm 500 mm 738 mm

Hmini 20 mm 40 mm 50 mm

Hmaxi 199 mm 399 mm 469 mm


p. 2

Courbe de la loi hauteur débit du canal Rehbock

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Dé

bit

(l/

s)

Hauteur d'eau (mm)

Loi Hauteur/Débit du canal "Rehbock" de 0,34 m


p. 3

ANNEXE 2

Dimensionnement des bâches déversantes

(Prédenitrification)

Batteries 2 et 3

Temps (s) Temps (mn) Hauteur sur déversoirs (m)

Q de sortie (m3/s)

Volume déversé

pendant 30s réel (m3)

Reste Hauteur (m) Débit par demi-

Batteries 2 et 3 (m3/s)

6.71 0.1 0.103 0.010 0.068 0.080 0.0017

13.42 0.2 0.080 0.007 0.047 0.065 0.0013

20.12 0.3 0.065 0.005 0.034 0.054 0.0010

26.83 0.4 0.054 0.004 0.026 0.045 0.0007

33.54 0.6 0.045 0.003 0.020 0.039 0.0006

40.25 0.7 0.039 0.002 0.016 0.034 0.0005

46.96 0.8 0.034 0.002 0.013 0.030 0.0004

53.67 0.9 0.030 0.002 0.010 0.026 0.0003

60.37 1.0 0.026 0.001 0.009 0.023 0.0003

67.08 1.1 0.023 0.001 0.007 0.021 0.0002

73.79 1.2 0.021 0.001 0.006 0.019 0.0002

80.50 1.3 0.019 0.001 0.005 0.017 0.0002

87.21 1.5 0.017 0.001 0.005 0.016 0.0001

93.91 1.6 0.016 0.001 0.004 0.014 0.0001

100.62 1.7 0.014 0.001 0.004 0.013 0.0000

Tableau hauteur d’eau sur déversoirs bâche déversantes ALIPRE A&B

Batterie DERU

Hauteur sur déversoirs (m)

Q de sortie (m3/s) Volume déversé pendant 30s réel (m3)

Reste Hauteur (m)

Débit pour la Batterie (m3/s)

0.065 0.005 0.035 0.043 0.0029

0.043 0.003 0.019 0.032 0.0018

0.032 0.002 0.012 0.024 0.0012

0.024 0.001 0.008 0.020 0.0009

0.020 0.001 0.006 0.016 0.0006

0.016 0.001 0.004 0.013 0.0005

0.013 0.000 0.003 0.011 0.0004

0.011 0.000 0.003 0.010 0.0003

0.010 0.000 0.002 0.009 0.0003

0.009 0.000 0.002 0.008 0.0002

0.008 0.000 0.001 0.007 0.0002

0.007 0.000 0.001 0.006 0.0001

0.006 0.000 0.001 0.005 0.0001

0.005 0.000 0.001 0.005 0.0001

0.005 0.000 0.001 0.004 0.0000

Tableau hauteur d’eau sur déversoirs bâche déversantes ALIPRE C


p. 4

ANNEXE 3

Photos supplémentaires du modèle

Clarifloculation + RI Canal Rehbock

Clarifloculation + relèvement inférieur

Chambre de répartition

Chambre de dérivation

Canal Rehbock

Bâche déversante

Rejet à la Seine


BIBLIOGRAPHIE

Ouvrages :

- A. Lencastre, Hydraulique générale, Édition revue et augmentée, 2012

- Franzini, Fluid Mechanics With Engineering Applications, 1997

- R. LABORDE, R. PERRET , Physical modeling of pumping stations

-


RESUME

Le stage de fin d’études décrit dans ce rapport a été réalisé chez ARTELIA, un groupe

international d’ingénierie et conseil dans les domaines du bâtiment, de l’eau et de l’énergie.

Durant ce stage, j’ai été intégré au sein de l’équipe Hydraulique des Ouvrages, sur une

étude de modélisation physique des régimes hydrauliques dans les canaux couverts d’une

station d’épuration. Cette étude s’inscrit dans cadre d’un projet d’agrandissement de la

station d’épuration, qui prévoit la mise en œuvre d’une nouvelle unité de prétraitement en

complément des unités déjà existantes. A cet effet, de nouveaux canaux couverts ainsi que

des stations de pompage doivent être construits pour alimenter la nouvelle unité de

prétraitement. La modélisation physique effectuée a eu pour objectifs de vérifier, et

d’optimiser, le dimensionnement des nouveaux ouvrages de la station d’épuration.

La première partie de la conception du modèle ayant été effectuée avant mon arrivée

au sein de la structure d’accueil, j’ai participé à toutes les étapes ultérieures de l’étude. Ma

mission a donc été de mettre en œuvre un design des ouvrages neufs, de réaliser les essais

sur modèle physique au laboratoire ARTELIA, et d’optimiser le fonctionnement de ces

ouvrages.

The final internship study describes in this report was performed in ARTELIA, and

international engineering and consulting group, working in the sectors of construction, water

and energy. During this internship, I was integrated in the Hydraulics’ Works team, in a study

of physical modeling of hydraulic systems covered in a WWTP channels. This study forms

part of a project to expand the wastewater treatment plant, which provides for the

implementation of a new pre-processing unit in addition to the existing units. New channels

covered and pumping stations should be built. Physical modeling has made it possible to

verify and optimize the design of new structures of the WWTP.

The first part of the design of the model was made before my arrival in the host

organization; I participated in all subsequent stages of the study. My mission has been to

implement a new design of new structures, to achieve the physical model tests in the

laboratory ARTELIA and optimize the operation of these structures.

Mots clés : Modèle physique, station de pompage, canaux couverts, régimes hydrauliques,

essais, design, optimisation.

Key words. Physical model, pumping station, covered canals, hydraulic systems, testing,

design optimization

stage pfe annee 2012-2013

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