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Comprendre la capacité des radeaux et son rôle essentiel dans la sécurité des barrages

Les déversements constituent l'un des éléments de sécurité les plus critiques de l'ingénierie des barrages, qui sert de mécanisme principal pour libérer l'excès d'eau des réservoirs pendant les inondations. Le calcul précis de la capacité des déversements n'est pas seulement un exercice technique, mais il s'agit d'une exigence fondamentale pour protéger les collectivités en aval, préserver l'infrastructure et assurer l'intégrité structurelle du barrage lui-même.

La capacité de déversement est définie comme la crue maximale que peut traverser un barrage en toute sécurité. Cette capacité doit être soigneusement conçue pour gérer les événements hydrologiques extrêmes tout en maintenant la sécurité de la structure du barrage et des zones en aval. Le processus de conception comprend des calculs hydrauliques complexes, des analyses hydrologiques et une évaluation des risques qui doivent tenir compte de nombreuses variables, notamment les caractéristiques du bassin hydrographique, les conditions météorologiques, le stockage des réservoirs et les impacts en aval.

L'expérience montre que le surengorgement représente plus de 40 % des défaillances des barrages, ce qui montre que les inondations extrêmes représentent un risque important pour la sécurité des barrages.

Principes fondamentaux de conception pour la détermination de la capacité de déversement

Classification des dangers et sélection de la conception des inondations

La conception de la capacité des déversoirs commence par la compréhension du potentiel de danger du barrage. La pertinence d'un déversoir doit être évaluée en tenant compte du potentiel de danger qui résulterait de la défaillance des travaux du projet pendant les crues. Si la défaillance des travaux du projet menace la vie humaine ou cause des dommages importants aux biens, les travaux du projet doivent être conçus de façon à résister au suremblayage ou à l'état de chargement qui se produirait pendant une crue jusqu'à la crue maximale probable.

Les classifications des dangers liés aux barrages se divisent généralement en trois catégories : les risques élevés (lorsque la défaillance causerait vraisemblablement des pertes en vies humaines), les risques importants (lorsque la défaillance causerait des pertes environnementales et des dommages à l'environnement, mais qu'il est peu probable que des pertes en vies humaines) et les risques faibles (lorsque la défaillance entraînerait des conséquences minimales).

Pour les barrages, il recommande d'utiliser le maximum probable d'inondation (FMR) pour les grands barrages, le projet standard d'inondation (FPS) pour les barrages intermédiaires et un inondation de 100 ans pour les petits barrages.Cette approche à plusieurs niveaux garantit que le niveau de protection est proportionnel aux conséquences potentielles de l'échec, tout en reconnaissant les réalités économiques des structures à faible risque.

Le concept probable d'inondation maximale

Le CMR est défini comme l'inondation qui peut être attendue à partir de la combinaison la plus grave de conditions météorologiques et hydrologiques critiques raisonnablement possibles dans le bassin hydrographique à l'étude. Cette approche déterministe représente la limite supérieure théorique d'inondation qui pourrait se produire à un endroit précis, offrant le niveau de protection le plus élevé pour les infrastructures essentielles.

Le processus d'estimation du CMR comprend généralement trois composantes : premièrement, déterminer les précipitations maximales probables (PMP) sur le site pour une gamme de zones et de durées; deuxièmement, choisir l'arrangement temporel et spatial du PMP qui produit les inondations les plus graves au point d'intérêt; et troisièmement, appliquer cette tempête (le SPM) au bassin hydrographique dans un modèle de ruissellement des précipitations pour déterminer l'hydrographe du débit de cours d'eau qui en résulte au point d'intérêt.

À la différence des inondations à fréquence (comme les inondations de 100 ou de 1000 ans), le CMR n'a pas de probabilité de dépassement annuel assignée, mais représente une limite supérieure physique fondée sur les conditions météorologiques et hydrologiques les plus extrêmes jugées raisonnablement possibles pour le bassin versant.

En général, le pourcentage de FDI requis pour un déversoir varie de 50 % de la crue maximale probable (FMR) jusqu'au FMR complet pour les barrages à risque élevé. Le pourcentage de FMR requis dépend de facteurs tels que la classification des dangers du barrage, les conséquences de la défaillance, les exigences réglementaires et les niveaux de tolérance au risque établis par le propriétaire du barrage et les autorités réglementaires.

Inondations de conception par fréquence

Pour les barrages présentant un risque de danger moindre, les inondations de conception en fonction de la fréquence sont souvent plus appropriées et justifiées sur le plan économique. L'ICOLD (1995) recommande d'estimer une période de retour des déversements d'inondation de 1 000 ans pour la conception des déversoirs et de 10 000 ans pour la sûreté de la structure du barrage.

Les méthodes courantes comprennent l'analyse de la fréquence des inondations à l'aide de distributions comme les distributions de type III de Log-Pearson, Gumbel et GEV (Germanized Extreme Value) . Toutefois, les ingénieurs doivent reconnaître les limites de ces méthodes, surtout lorsqu'ils extrapolent à des périodes de retour extrêmes au-delà de la période de référence historique.

L'analyse statistique des inondations a un rôle très limité dans l'estimation des crues au Royaume-Uni, car l'extrapolation des estimations statistiques des inondations aux périodes de retour élevées pertinentes pour la conception du franc-bord et des égouts peut entraîner une sous-conception ou une surconception brute, étant donné la période relativement courte pour laquelle les données sur les inondations sont généralement disponibles.

Exigences en matière de données hydrologiques

Les ingénieurs doivent recueillir de l'information approfondie sur le bassin hydrographique, y compris sur la zone de drainage, la topographie, l'utilisation des terres, les caractéristiques du sol, la couverture végétale et les modèles historiques de précipitations, qui servent de base à la modélisation des précipitations et à l'estimation des crues.

Les principales exigences en matière de données hydrologiques sont les suivantes :

  • Données de précipitation:[ Enregistrements de précipitations à long terme provenant de stations de mesure multiples à l'intérieur et autour du bassin hydrographique, y compris les relations intensité-durée-fréquence
  • Streamflow records:[ Mesures historiques des rejets au site du barrage ou dans les stations de jaugeage à proximité, y compris les débits de pointe et les hydrographies complètes pour les événements majeurs d'inondation
  • Caractéristiques du bassin d'eau:[ Cartographie topographique détaillée, délimitation du réseau de drainage, calcul du temps de concentration et nombre de courbes ou autres paramètres d'infiltration
  • Caractéristiques du réservoir:[ Relations de stockage en phase, courbes de décharge en phase pour les déversoirs et les ouvrages de sortie existants, et taux de sédimentation qui peuvent affecter la capacité de stockage
  • Données météorologiques:[ Enregistrements de température pour l'analyse de la fonte des neiges, données du vent pour les calculs d'action des vagues et études de transposition des tempêtes pour l'estimation des PMP

La fiabilité des calculs de la capacité des déversoirs est directement proportionnelle à la qualité des données d'entrée. Des données hydrologiques insuffisantes ou inexactes peuvent entraîner des erreurs importantes dans l'estimation des crues, ce qui pourrait entraîner des déversements sous-conçus qui ne peuvent pas passer en toute sécurité les crues de conception.

Méthodes de calcul hydraulique pour la capacité de déversement

Équations de débit de l'air

L'approche la plus fondamentale pour calculer la capacité de décharge des déversoirs consiste en des équations de débit de déversoir, qui relient le débit à la géométrie du déversoir et à la tête (profondeur) de l'eau au-dessus de la crête du déversoir. La forme générale de l'équation de déversoir est Q = CLH^(3/2), où Q est décharge, C est le coefficient de décharge, L est la longueur effective de la crête du déversoir, et H est la tête au-dessus de la crête.

Dans le Manuel national d'ingénierie, section 14, «Chute Spillways» (NEH14), on donne des équations de débit pour les entrées droites et les entrées de boîtes. NEH14 fournit la relation entre les sorties droites et les sorties droites des déversoirs de la chute, qui est donnée par l'équation de débit pour un déversoir.

Le coefficient de décharge C n'est pas constant, mais varie selon plusieurs facteurs, notamment:

  • Forme et profil de la crête de la dérive
  • Conditions et vitesse d'approche
  • Rapport entre la hauteur de la tête et celle du siège
  • Effets de culbutation et de jetée
  • Rugosité de surface
  • Conditions d'immersion

Le coefficient 3.1 varie selon les conditions d'entrée. La valeur du coefficient est légèrement plus élevée si le canal de transport a une largeur plus grande que l'entrée. Les ingénieurs doivent sélectionner soigneusement les valeurs de coefficient appropriées en fonction de la géométrie spécifique et des conditions hydrauliques de leur conception de déversoir.

Conception de l'Ogee Spillway

Les déversoirs Ogee, caractérisés par leur profil en forme de S, sont parmi les types de déversoirs les plus efficaces et les plus couramment utilisés pour les barrages en béton. La forme de crête ogee est conçue pour correspondre au profil de la couche inférieure d'un jet d'eau à chute libre, en minimisant les variations de pression et en maximisant l'efficacité de décharge lors du fonctionnement à la tête de conception.

La conception hydraulique des déversoirs d'ogee consiste à déterminer les coordonnées du profil de crête, qui dépendent des conditions de la tête de conception et de l'approche. Les cartes et équations de conception standard, comme celles élaborées par le U.S. Army Corps of Engineers et le Bureau of Reclamation, fournissent les paramètres géométriques des formes de crête d'ogee. Ces profils sont généralement définis par des fonctions de puissance dans les quadrants en amont et en aval de l'apex de crête.

Pour les déversoirs d'ogee, l'équation de décharge prend la forme Q = CLeH^(3/2), où Le est la longueur effective de crête qui tient compte des contractions des piliers et des culées. Le coefficient de décharge d'un déversoir d'ogee fonctionnant à sa tête de conception varie généralement de 3,8 à 4,0 (en unités anglaises), ce qui représente des conditions de débit très efficaces.

Analyse du Weir à grande échelle

Estimation du débit maximal pour une période de retour de 500 ans Inondation L'objectif de cette méthode est d'obtenir un débit maximal pour un ruissellement de 500 ans pour un bassin de drainage en amont du barrage/de la voie de déversement.Pour de nombreux déversoirs en terre et de plus petits déversoirs en béton, l'approche de la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à la pêche à

Les braises à larges crêtes se caractérisent par une longueur horizontale ou presque horizontale de crête qui est suffisamment longue par rapport à la tête que le débit atteint des conditions de profondeur critique sur la crête. L'équation de décharge pour les braises à larges crêtes est Q = CbLH^(3/2), où Cb est le coefficient de braise à larges crêtes, qui varie généralement de 2,6 à 3,1 selon la géométrie de la crête et les conditions d'approche.

Le coefficient de déversoir à larges cintres dépend de facteurs, notamment le rapport entre la longueur de la crête et la tête, l'arrondi ou le chanfrein en amont, la rugosité de la surface et la vitesse d'approche.

Calculs du débit de l'orifice

Lorsque les déversoirs fonctionnent dans des conditions submergées ou lorsque les déversoirs sont partiellement ouverts, les équations de débit de l'orifice deviennent applicables. L'équation de base de l'orifice est Q = CdA √(2gH), où Cd est le coefficient de décharge (généralement 0,6 à 0,8), A est la zone de l'orifice, g est l'accélération gravitationnelle, et H est la tête mesurée du centre de l'orifice à la surface de l'eau en amont.

Pour les déversoirs à écoulement fermé, le régime d'écoulement passe du flux de l'écoulement de l'eau de l'eau de mer à celui de l'orifice, car l'ouverture de la porte diminue par rapport à la tête. Cette zone de transition nécessite une attention particulière, car ni l'équation de l'air pur ni l'équation de l'orifice pur ne décrivent précisément l'écoulement.

Hydraulique à écoulement en marche

RCC se prête naturellement à une configuration par paliers par la technique de construction de compactage de rouleaux des ascenseurs horizontaux successifs en béton. Jusqu'à présent, il y a eu de nombreux déversoirs par paliers de RCC construits dans le monde entier, mais il n'y a pas de conception générale qui quantifie les caractéristiques hydrauliques du débit de suralimentation pour une hauteur de pas, une hauteur de barrage et une pente données.

Le débit au-dessus d'un déversoir à marches est classé comme un débit de nappe ou d'écrémage. Les régimes de débit de nappe sont appliqués pour les petits rejets et les pentes plates. Si le débit est augmenté ou la pente du chenal est augmentée, un régime de débit d'amortissement peut se produire.

Pour le débit de nappe, l'eau s'écoule de pas en pas avec des poches d'air formant sous chaque nappe. Ce régime fournit une excellente dissipation d'énergie mais se produit seulement à des débits unitaires relativement faibles. Pour le débit d'enduit, qui se produit à des débits plus élevés, l'eau coule en douceur sur les bords de l'étape avec des tourbillons recirculations piégés dans les cavités de l'étape.

Les calculs de la capacité de décharge des déversoirs à marche doivent tenir compte de la plus grande rugosité et de la plus grande dissipation d'énergie par rapport aux déversoirs à marche lisse. Le coefficient de rejet effectif des déversoirs à marche est généralement inférieur à celui des déversoirs à marche lisse du même profil, particulièrement dans le régime d'écoulement des écumages où une dissipation d'énergie importante se produit le long du parachute.

Échafaudage et déversements de gloire du matin

Au cours des cent dernières années, les déversoirs d'arbre sont devenus largement utilisés dans la pratique de l'ingénierie hydraulique en raison de leurs avantages indéniables : capacité de décharge élevée, consommation maximale d'eau par mètre cube de béton, compacité de la structure des points. Ces déversoirs verticaux ou inclinés, aussi connus sous le nom de déversoirs de gloire matinale en raison de leur entrée en forme d'entonnoir, offrent une solution efficace où les contraintes d'espace ou la topographie rendent les déversoirs conventionnels impraticables.

Le comportement hydraulique des déversoirs d'arbre est complexe, impliquant plusieurs régimes d'écoulement selon la tête et le débit. À la tête basse, le débit se comporte comme un flux de déversoir sur la crête circulaire ou polygonale. À mesure que la tête augmente, le débit passe à la commande de l'orifice à la gorge, et éventuellement à l'écoulement complet du tuyau dans l'arbre vertical.

La théorie moderne des calculs hydrauliques a été formée sur la base des travaux d'étude de l'exploitation d'un déversoir circulaire à bord tranchant réalisé par Wagner en 1954. Bien que de nombreuses études hydrauliques n'aient pas prouvé beaucoup des déclarations de la méthode de calcul de Wagner était basée sur, les matériaux de ses études ont été présentés dans la littérature hydraulique spéciale pour les calculs hydrauliques à ce jour.

Pour le régime de contrôle de l'écoulement, l'équation de décharge est Q = CπDH^(3/2), où D est le diamètre du cercle de crête et C le coefficient de décharge. Pour le contrôle de l'orifice, Q = CdA √(2gH), où A est la zone de gorge. Les ingénieurs doivent déterminer quel régime de contrôle régit pour la tête de conception et vérifier que le conduit d'arbre et de sortie ont la capacité adéquate pour transmettre le rejet de conception sans causer d'effets indésirables sur l'eau de derrière.

Routage des inondations dans les réservoirs

Méthode d'indication de stockage

La détermination de la capacité de déversement exige plus que la détermination de la capacité de déversement à une tête donnée; elle exige que l'on fasse passer l'inondation prévue dans le réservoir pour déterminer l'altitude maximale de la surface de l'eau et le débit correspondant. L'analyse de l'écoulement des crues réalisée par [20] a été utilisée dans cette étude (équations (9) et (10)), où S est stocké (m3), I est le débit d'eau dans le réservoir (m3/s), O est le débit d'eau hors du réservoir (m3/s) et t et i se réfère au temps (s) et à l'étape de temps utilisée pour chaque étude, respectivement.

La méthode d'indication de stockage (également appelée méthode Puls modifiée) est la technique la plus couramment utilisée pour l'acheminement des crues dans les réservoirs. Cette méthode résout l'équation de continuité en reliant le stockage, l'écoulement et l'écoulement au cours de plusieurs étapes de temps distinctes.

Pour la solution numérique, cette équation est discrétée sur des intervalles de temps, généralement de minutes à heures, en fonction du temps de réponse du bassin hydrographique et des caractéristiques du réservoir. La méthode exige l'élaboration d'une relation entre le stockage et l'écoulement, qui tient compte de toutes les structures de sortie, y compris les déversoirs, les ouvrages de sortie et tout autre cheminement de rejet.

Conditions initiales du réservoir

L'élévation initiale de la surface du réservoir au début de l'inondation de conception affecte de façon significative l'altitude maximale atteinte pendant l'inondation et, par conséquent, la capacité requise du déversoir.

Toutefois, pour les réservoirs ayant des caractéristiques d'exploitation saisonnières ou des fins de lutte contre les inondations, il peut être approprié de tenir compte de l'élévation initiale plus faible à certaines périodes de l'année. Certains organismes de réglementation accordent des crédits pour le stockage de la lutte contre les inondations si le réservoir a des procédures et des pouvoirs fiables pour maintenir des niveaux réduits pendant les saisons d'inondation.

Les ingénieurs doivent aussi tenir compte des conditions antérieures qui pourraient influer sur la réponse du bassin hydrographique, comme l'humidité du sol, la neige et les conditions de gel des sols, facteurs qui peuvent influer de façon significative sur les coefficients de ruissellement et l'ampleur de l'hydrographie de l'inondation qui pénètre dans le réservoir.

Hypothèses relatives à l'opération de déversement

Les déversoirs à écoulements non aménagés sont plus fiables que les déversoirs à écoulement fermé. Les déversoirs à écoulement fermé offrent une plus grande flexibilité opérationnelle et une grande capacité de décharge par unité de longueur.

Pour les déversoirs non aménagés, le rejet est une fonction directe de l'élévation de la surface de l'eau, sans décision opérationnelle nécessaire, ce qui offre une fiabilité maximale mais une moins grande souplesse dans la gestion des niveaux de réservoir.

  • Temps de réponse pour l'ouverture de la porte
  • Disponibilité du personnel d'exploitation ou des commandes automatiques
  • Fiabilité de l'alimentation électrique et des systèmes mécaniques
  • Systèmes de communication et capacités de prévision des inondations
  • Protocoles d'exploitation et pouvoir de décision

La pratique conservatrice de conception des barrages à haut risque suppose souvent que les portes ne fonctionnent pas ou ne fonctionnent pas avec un retard important, ce qui permet au déversoir de passer en toute sécurité l'inondation sans gérer activement les portes.

Pièges et erreurs courants dans les calculs de la capacité de déversement

Utilisation de données hydrologiques périmées

L'une des erreurs les plus importantes dans l'évaluation de la capacité des déversoirs est de se fier à des données hydrologiques ou à des normes de conception dépassées. Cependant, de nombreux barrages dont les capacités de déversement ont été conçues à l'aide de méthodes qui sont maintenant considérées comme peu prudentes et potentiellement dangereuses.

Les estimations des précipitations maximales probables ont été mises à jour à plusieurs reprises au cours des dernières décennies à mesure que de nouvelles données sur les tempêtes deviennent disponibles et que la compréhension météorologique s'améliore. Les barrages conçus à partir des valeurs PMP tirées d'études menées dans les années 1960 ou 1970 peuvent avoir sous-estimé de façon significative les besoins en capacité des déversoirs par rapport aux normes actuelles.

Les ingénieurs qui évaluent les déversoirs existants doivent vérifier que les estimations initiales des crues demeurent valides selon les normes actuelles, ce qui exige souvent la réalisation d'études hydrologiques à jour à l'aide des dernières estimations du PMP, de relevés de débit prolongés et de techniques modernes de modélisation des précipitations et des ruissellements de pluie.

Négliger les conditions en aval et les effets de l'eau de queue

Lorsque le niveau d'eau en aval augmente en raison de restrictions de chenal, d'une capacité de chenal insuffisante ou d'une confluence avec d'autres cours d'eau, le débit efficace de la conduite de tête dans le chenal de déversement est réduit, ce qui réduit la capacité de rejet.

Selon ce qui précède, les effets de l'eau de fond peuvent limiter la capacité de votre déversoir par rapport aux équations générales de débit à canal ouvert ou à l'équation que vous avez mentionnée dans le manuel de conception du barrage. Une analyse hydraulique complète du système, avec des hypothèses appropriées de conditions en aval du déversoir, serait un moyen adéquat d'évaluer la capacité du déversoir.

Les effets des eaux de queue sont particulièrement importants pour les barrages à faible hauteur, les déversoirs qui se déversent dans des chenaux confinés et les situations où plusieurs affluents convergent en aval du chenaux. Les ingénieurs doivent établir des relations de décharge par étapes qui tiennent compte des effets de submergence, en utilisant des facteurs de correction appropriés de la submergence ou en effectuant une modélisation hydraulique détaillée du chenaux aval.

L'incapacité de tenir compte de la submergence des eaux de queue peut entraîner une surestimation importante de la capacité des déversoirs, qui pourrait atteindre 20 à 50 % ou plus dans les cas graves. Cette erreur est particulièrement dangereuse parce qu'elle peut ne pas être apparente avant qu'un événement réel ne se produise et que le déversoir ne passe pas le rejet prévu.

Sélection incorrecte du coefficient de décharge

Le coefficient de rejet est un paramètre critique dans le calcul de la capacité des déversoirs, mais il est souvent mal appliqué ou choisi sans justification adéquate. Pour une profondeur donnée à la crête du déversoir, les débits calculés à l'aide de la méthode USBR sont plus élevés que ceux de la méthode NRCS en raison des coefficients de rejet plus élevés.

Les erreurs courantes liées aux coefficients de décharge comprennent:

  • Utiliser les coefficients des cartes de conception sans vérifier que la géométrie du déversoir correspond aux conditions du graphique
  • Non-compter les effets de vitesse d'approche sur la tête efficace
  • Neglecting l'influence des piliers et des culées sur la longueur effective de la crête
  • Application des coefficients dérivés pour les conditions de débit libre dans les situations de débit submergé
  • Utilisation de coefficients pour un type de déversoir (p. ex., spiral à crêtes pointues) lorsque la géométrie réelle correspond à un type différent (p. ex., spiral à crêtes larges)
  • Ignorer la variation du coefficient de décharge avec le rapport hauteur tête/appuie-tête

Les ingénieurs devraient examiner attentivement les bases de la sélection des coefficients de rejet, consulter plusieurs sources faisant autorité et envisager des études de modèles hydrauliques physiques pour des géométries de déversement inhabituelles ou critiques.

Ignorer la sédimentation et l'accumulation des débris

La sédimentation du réservoir réduit progressivement la capacité de stockage des crues au fil du temps, ce qui pourrait nécessiter une capacité accrue de déversement pour maintenir le même niveau de protection contre les inondations. Le taux de dépôt des sédiments dans le réservoir devrait être évalué afin de déterminer si la capacité de stockage des crues du réservoir a été réduite.

Les débris flottants, la glace, la végétation et d'autres matériaux peuvent en partie bloquer les ouvertures de déversoirs, en particulier aux racks de poubelles, entre les jetées ou à l'entrée des puits de déversement. La conception devrait comprendre une capacité de franc-bord et de structure adéquate pour accueillir le chargement des débris, et les plans d'exploitation devraient traiter des procédures d'enlèvement des débris.

Pour les barrages existants, des relevés bathymétriques périodiques devraient être effectués pour quantifier les taux de sédimentation et mettre à jour les relations entre les stades et le stockage. Si une sédimentation importante s'est produite, il faudrait répéter les analyses de l'itinéraire des inondations en utilisant les courbes de stockage actuelles pour vérifier que la capacité des déversoirs demeure adéquate.

Marges de sécurité et franc-bord insuffisantes

Le franc-bord offre une marge de sécurité contre les pannes de suremblayage des barrages. Il n'est généralement pas nécessaire d'empêcher les éclaboussures ou le suremblayage occasionnel d'un barrage par des vagues dans des conditions extrêmes.

Les erreurs courantes liées au freeboard comprennent:

  • Utilisation de valeurs de freeboard arbitraires sans analyse d'onde spécifique au site
  • Ne pas tenir compte de l'installation du vent et des effets de la seiche dans les grands réservoirs
  • Ne pas considérer les effets combinés du niveau maximal d'inondation et de l'écoulement des vagues
  • Franc-bord inadéquat pour les barrages de remblai qui sont très vulnérables à l'érosion excessive
  • Ignorer le règlement des barrages de remblai qui réduit le franc-bord effectif au fil du temps

Les exigences relatives au franc-bord varient selon le type de barrage, la classification des risques et la compétence réglementaire. Les barrages de quai nécessitent généralement un franc-bord plus élevé que les barrages en béton en raison de leur vulnérabilité à l'érosion.

Risque de dommages causés par la cavitation

Dans le cas des déversoirs de parachute, la cavitation se produit à des vitesses comprises entre 12 et 15 m/s. Lorsque la cavitation se produit sur un déversoir, elle peut causer de graves dommages, surtout lorsque les vitesses dépassent 25 m/s. Les dommages causés par la cavitation ont causé des défaillances catastrophiques de plusieurs déversoirs majeurs, entraînant des réparations coûteuses et des risques potentiels pour la sécurité.

La cavitation se produit lorsque les pressions locales dans l'eau courante tombent sous la pression de vapeur, provoquant la formation de bulles de vapeur. Lorsque ces bulles s'effondrent dans des régions de pression élevée, elles génèrent des forces localisées intenses qui peuvent éroder même le béton à haute résistance.

Les mesures de conception pour empêcher la cavitation comprennent le maintien de surfaces lisses, l'éviter de brusques changements de géométrie, fournir une aération adéquate et limiter les vitesses de débit. Pour les déversoirs à grande vitesse, des dispositifs d'aération peuvent être nécessaires pour introduire de l'air dans l'écoulement, ce qui amortit l'effondrement des bulles de vapeur et prévient les dommages.

Les ingénieurs doivent évaluer le potentiel de cavitation pour tous les plans de déversoirs à grande vitesse, en particulier pour les déversoirs à parachute, les déversoirs de tunnel et les faces aval des déversoirs à débordement. La modélisation de la dynamique des fluides computationnels peut aider à identifier les zones de basse pression où la cavitation peut se produire, ce qui permet des modifications de conception avant la construction.

Défaut de considérer plusieurs types de déversements

Dans certains cas, de multiples déversoirs et d'autres structures hydrauliques sont utilisés pour passer les inondations et sont déclenchés par différents niveaux d'inondation (périodes de retour des inondations). Pour le barrage Gibson de la Réclamation (arc de gravité en béton), le déversoir de service (structure de contrôle de la gloire en mouvement matinal) passera à l'inondation de 100 ans avant que le déversoir auxiliaire (crête dedam) ne commence à fonctionner et augmente les rejets pour les inondations.

Lors de l'analyse de la capacité totale des déversoirs, les ingénieurs doivent tenir compte correctement du rejet combiné de toutes les structures des déversoirs, compte tenu de la séquence dans laquelle ils deviennent opérationnels à mesure que le niveau d'eau augmente.

  • Non-comptabilisation de tous les chemins de décharge dans les calculs d'acheminement des inondations
  • En supposant mal que les déversoirs fonctionnent indépendamment lorsqu'ils peuvent interagir hydrauliquement
  • Ne pas considérer qu'un déversoir peut être hors service pour l'entretien pendant une inondation
  • Surplomber les déversoirs d'urgence qui fonctionnent uniquement à des niveaux d'inondation extrêmes
  • Coordination inadéquate entre les opérations de déversements entre les voies fermées et non aménagées

Une analyse complète de la capacité des déversoirs doit établir des relations étape-décharge qui représentent avec précision tous les chemins de déversement et leurs interactions, en veillant à ce que la capacité totale du système réponde aux exigences de conception des crues, même si les composants individuels ne sont pas disponibles.

Considérations avancées dans la conception des écoulements

Exigences en matière de dissipation d'énergie

Chaque barrage a besoin d'une certaine forme de dissipation d'énergie dans sa structure de rejet pour éviter l'érosion et l'éboulement du côté aval du barrage, car ces phénomènes peuvent entraîner une défaillance du barrage. L'énergie cinétique de l'eau qui coule sur ou à travers un déversoir doit être dissipée en toute sécurité avant que le débit n'entre dans le chenal aval pour empêcher l'érosion qui pourrait saper le fond du barrage ou endommager les structures en aval.

Les méthodes courantes de dissipation d'énergie comprennent:

  • Bassins d'arrêt:[Bassins de saut hydrauliques qui forcent le débit supercritique à passer au débit subcritique, dissipant l'énergie par turbulence
  • Étages de déversements:[ La dissipation d'énergie se produit le long du déversoir par impact et formation d'air
  • Seaux à glissières:Seaux à trajectoires qui lancent le courant loin de l'orteil de barrage, avec dissipation d'énergie se produisant par résistance à l'air et impact avec le bassin en aval
  • Pools plongeurs:[Pools profonds qui absorbent l'énergie d'impact et contiennent un débit turbulent
  • Aprons à bourrelets:Aprons à béton avec blocs de chicanes ou autres éléments dissipants d'énergie

La sélection et la conception des structures de dissipation d'énergie doivent être coordonnées avec les calculs de la capacité des déversoirs, car la profondeur de l'eau de queue dans les bassins de silling affecte la capacité de rejet des déversoirs par des effets de submergence.

Considérations relatives aux changements climatiques

Les changements climatiques modifient les modèles de précipitations et augmentent l'intensité des précipitations extrêmes dans de nombreuses régions, ce qui peut invalider les données hydrologiques historiques et les estimations des inondations.

Certaines administrations commencent à exiger des ajustements au changement climatique pour concevoir des estimations des inondations, ce qui implique généralement une augmentation en pourcentage des valeurs des PMP ou des inondations en fonction de la fréquence. Toutefois, il subsiste une incertitude importante quant à l'ampleur et à la répartition régionale des effets du changement climatique sur les précipitations extrêmes.

Pour les barrages existants qui ont une longue durée de vie, il peut être nécessaire de procéder à une réévaluation périodique de la pertinence des déversoirs à mesure que les sciences du climat et la compréhension hydrologique continuent d'évoluer.

Modélisation hydraulique physique

Pour les géométries complexes des déversoirs, les conditions inhabituelles du site ou les projets à forte conséquence, les études de modèles hydrauliques physiques fournissent une vérification précieuse des calculs de conception et de l'identification des problèmes potentiels.

Les modèles physiques sont particulièrement utiles pour :

  • Vérification de la capacité de décharge pour les configurations inhabituelles des égouts
  • Optimiser les conditions d'approche des déversoirs pour maximiser la capacité
  • Évaluation de la répartition du débit entre plusieurs secteurs de déversement
  • Évaluation de la performance du bassin de stèlement pour une gamme de rejets
  • Identification des zones de cavitation potentielles et évaluation des mesures d'atténuation
  • Étude des schémas de passage et d'accumulation des débris
  • Évaluation des modifications apportées aux déversoirs existants

Bien que la modélisation physique comporte un coût et un temps importants, elle donne confiance dans la performance de conception qui ne peut être obtenue par des calculs seuls, en particulier pour les barrages à risque élevé où les conséquences d'une capacité de déversement insuffisante sont graves.

Applications de la dynamique des fluides informatiques

La modélisation numérique de la dynamique des fluides (CFD) est devenue un outil de plus en plus précieux pour la conception et l'analyse des déversoirs, qui complète les méthodes de calcul traditionnelles et la modélisation physique. La CFD permet une simulation détaillée en trois dimensions des schémas de débit, des distributions de pression, des champs de vitesse et des profils de surface libre qui seraient difficiles ou impossibles à mesurer dans les modèles physiques.

Les applications de la DFC dans la conception des déversoirs comprennent :

  • Optimisation des formes de crêtes de dérapage et des transitions d'approche
  • Évaluation des distributions de pression pour identifier les zones à risque de cavitation
  • Analyse des débits dans des géométries complexes comme les labyrinthes
  • Évaluation des performances du système d'entraînement et d'aération de l'air
  • Étude de la distribution du débit et des effets d'interférence dans les déversoirs à plusieurs baies
  • Évaluation des modifications apportées aux structures existantes

La modélisation du CFD exige toutefois une expertise importante en génie hydraulique et en méthodes numériques. La configuration du modèle, la sélection du modèle de turbulence, la génération de mailles et les spécifications de l'état des limites influent grandement sur les résultats.

Exigences réglementaires et normes de conception

Règlement fédéral et des États

Aux États-Unis, les barrages peuvent être réglementés par des organismes fédéraux (tels que le FERC pour les projets hydroélectriques, le Bureau de réhabilitation pour les projets d'eau fédéraux ou le Corps des ingénieurs de l'Armée pour les projets du Corps) ou par des organismes de sécurité des barrages d'État pour les barrages non fédéraux.

Plusieurs autres États ont adopté les normes utilisées par le Service de conservation des ressources naturelles (anciennement le Service de conservation des sols) pour la conception de barrages plus petits construits. La diversité des exigences réglementaires signifie que les ingénieurs doivent soigneusement identifier les normes applicables à chaque projet et assurer le respect de tous les critères pertinents.

Les principales considérations réglementaires sont notamment les suivantes :

  • Critères et procédures de classification des dangers
  • Prescriptions de conception pour les inondations pour chaque classe de danger
  • Exigences minimales de franc-bord
  • Fiabilité des fuites et attentes en matière de redondance
  • Exigences relatives à la modélisation physique ou à l'examen par les pairs
  • Normes en matière de documentation et de communication de l'information
  • Intervalles de réévaluation périodiques

Les ingénieurs devraient collaborer avec les organismes de réglementation au début du processus de conception afin de clarifier les exigences et d'obtenir un accord sur les approches de conception, en particulier dans des situations inhabituelles ou des conceptions novatrices.

Pratiques exemplaires et lignes directrices de l'industrie

Les organisations professionnelles et les groupes de l'industrie ont élaboré des documents d'orientation détaillés pour la conception des déversoirs qui complètent les exigences réglementaires.

  • Normes de conception du Bureau of Reclamation des États-Unis et publications techniques
  • Manuels d'ingénierie et critères de conception hydraulique du Corps of Engineers de l'armée américaine
  • FEMA Lignes directrices fédérales pour la sécurité des barrages
  • Bulletins et documents techniques de la Commission internationale des grands barrages (CIOLD)
  • ASDSO (Association des responsables de la sécurité des barrages d'État) documents d'orientation
  • Livres blancs et actes de conférence de l'USSD (United States Society on Dams)

Ces ressources fournissent des conseils techniques détaillés sur les méthodes de calcul, les approches de conception et les pratiques exemplaires fondées sur des décennies d'expérience et de recherche. Les ingénieurs devraient se familiariser avec les normes actuelles de l'industrie et participer à des activités de perfectionnement professionnel pour rester au courant des pratiques en évolution.

Évaluation de la capacité de déversement des barrages existants

Procédures d'évaluation

L'évaluation de la capacité des déversoirs des barrages existants présente des défis uniques par rapport à la nouvelle conception. Les ingénieurs doivent travailler dans des conditions telles que celles qui peuvent différer des plans originaux, tenir compte de la détérioration ou des modifications au fil du temps et souvent traiter de la documentation incomplète des hypothèses de conception originales.

Une évaluation complète de la capacité des déversoirs devrait comprendre :

  • Examen des documents :[ Recueillir et examiner tous les documents de conception, les dossiers de construction, les rapports d'inspection et l'historique opérationnel disponibles
  • Inspection sur le terrain:[ Effectuer une inspection détaillée pour vérifier les conditions telles que construites, identifier la détérioration ou les dommages, et documenter la configuration actuelle
  • Surveillance:[ Effectuer un relevé topographique de la géométrie du déversoir, de la zone du réservoir et du chenal en aval, au besoin, pour élaborer des modèles hydrauliques précis
  • Mise à jour hydrologique:[ Élaborer des estimations actuelles des crues en utilisant les méthodes et les données les plus récentes, en comparant les crues originales de conception
  • Analyse hydraulique:[ Calculer la capacité de déversoir en utilisant une géométrie vérifiée et des méthodes appropriées, en tenant compte de tous les facteurs pertinents
  • Route de flots:[ Déversement de la conception du courant de route dans le réservoir en utilisant des relations de stockage et de décharge de l'étape mises à jour
  • Comparaison: Comparer l'élévation maximale de l'inondation à l'élévation de la crête du barrage et évaluer l'adéquation du franc-bord

Si l'évaluation révèle une capacité de déversement insuffisante, les ingénieurs doivent élaborer et évaluer des solutions de rechange pour accroître la capacité ou réduire le risque d'inondation.

Options de renforcement des capacités

Lorsque la capacité de déversoir actuelle est jugée insuffisante, plusieurs options peuvent être offertes pour combler la lacune :

  • Modifications de la voie de déversement :[ Abaissement de la crête du déversoir, élargissement du déversoir ou amélioration des conditions d'approche pour augmenter la capacité de déversement
  • Ponts auxiliaires:[ Ajouter de nouvelles structures de déversoirs pour compléter la capacité existante
  • Lève-lame:[ Augmentation de la hauteur du barrage pour fournir un stockage supplémentaire de franc-bord et d'inondation
  • Modifications de l'exploitation du réservoir :[ Mise en oeuvre de restrictions saisonnières pour l'entreposage des eaux de ruissellement
  • Régulation des crues en amont:[Construire des centres de détention en amont pour réduire les entrées de pointe
  • Amélioration des canaux en aval:[ Élargissement de la capacité des canaux en aval pour réduire les effets de l'eau de queue
  • Mesures de réduction des risques:[ Mise en œuvre de systèmes d'alerte rapide, de plans d'action d'urgence et de procédures d'évacuation en aval

La sélection de ces solutions dépend de la faisabilité technique, du coût, des incidences environnementales, des exigences réglementaires et de l'efficacité de la réduction des risques.

Mesures provisoires de réduction des risques

Lorsque des lacunes de capacité des déversoirs sont décelées, mais que des modifications permanentes ne peuvent pas être mises en oeuvre immédiatement en raison du financement, de l'autorisation ou des contraintes de conception, des mesures provisoires de réduction des risques devraient être mises en oeuvre, notamment :

  • Programmes améliorés de surveillance et d'inspection
  • Amélioration des systèmes de prévision des inondations et d ' alerte rapide
  • Mise à jour des plans d'action d'urgence avec des niveaux de déclenchement et des procédures de notification clairs
  • Restrictions temporaires des piscines pour assurer un stockage supplémentaire des inondations
  • Prépositionnement des matériaux et équipements d'urgence
  • Coordination avec les organismes de gestion des urgences en aval
  • Programmes d'éducation et de sensibilisation du public pour les résidents en aval

Bien que ces mesures n'en éliminent pas la lacune fondamentale, elles peuvent réduire considérablement les risques en améliorant les capacités d'intervention et en réduisant les conséquences en cas d'inondation dépassant la capacité des déversoirs.

Meilleures pratiques pour la conception de la capacité de déversement

Recommandations relatives au processus de conception

Pour assurer des calculs précis et fiables de la capacité des déversoirs, les ingénieurs devraient suivre un processus de conception systématique qui intègre les pratiques exemplaires suivantes :

  • Utiliser les données hydrologiques actuelles: Estimations des crues de la conception de base sur les plus récentes études hydrologiques, estimations PMP et relevés de débit prolongés
  • Compte des conditions en aval:[ Évaluer les effets des eaux de queue et la capacité du chenal en aval pour garantir des hypothèses réalistes de rejet
  • Inclure les marges de sécurité appropriées:[ Incorporer les incertitudes dans les estimations hydrologiques, les calculs hydrauliques et les conditions futures par des hypothèses prudentes
  • Évaluer la sensibilité aux principales hypothèses telles que le niveau initial du réservoir, le fonctionnement de la porte et les coefficients de rejet.
  • Vérifier les calculs de façon indépendante:[ Utiliser plusieurs méthodes de calcul ou outils logiciels pour vérifier les résultats et identifier les erreurs potentielles
  • Hypothèses de document clairement :[ Tenir une documentation complète de toutes les hypothèses, sources de données et méthodes de calcul pour les références futures
  • Observer l'examen par les pairs :[ Pour les barrages à risque élevé ou les conceptions complexes, obtenir un examen par les pairs indépendant par des ingénieurs expérimentés en matière de sécurité des barrages.
  • Plan de surveillance et d'entretien:[ Élaborer des programmes pour s'assurer que la capacité des déversoirs est maintenue par des inspections, des travaux d'entretien et une réévaluation périodique régulières

Assurance et vérification de la qualité

Les procédures d'assurance de la qualité sont essentielles pour prévenir les erreurs dans le calcul de la capacité des déversoirs.

  • Contrôle indépendant de tous les calculs par des ingénieurs qualifiés
  • Vérification de l'exactitude et de l'adéquation des données d'entrée
  • Comparaison des résultats avec des projets similaires et des données publiées
  • Analyse de sensibilité pour identifier les paramètres critiques et évaluer l'incertitude
  • Modélisation physique ou informatique pour des projets complexes ou critiques
  • Examen par les pairs par des ingénieurs ayant une expérience pertinente
  • Examen et approbation des organismes de réglementation

Ces mesures d'assurance de la qualité aident à déceler les erreurs avant qu'elles ne se traduisent par des conceptions inadéquates qui pourraient compromettre la sécurité des barrages.

Surveillance et réévaluation continues

La capacité de déversement ne devrait pas être considérée comme une détermination ponctuelle, mais plutôt comme un processus continu qui nécessite une réévaluation périodique.

  • Études hydrologiques actualisées ou estimations révisées du PMP
  • Changements dans le développement en aval affectant la classification des dangers
  • Détérioration observée ou détérioration des structures des déversoirs
  • Sédimentation importante réduisant la capacité de stockage des inondations
  • Modifications des exigences réglementaires ou des normes de conception
  • Meilleure compréhension des effets des changements climatiques
  • Modifications aux opérations de barrage ou de réservoir
  • Fréquence des inondations approchant ou dépassant les niveaux de conception

De nombreux organismes de réglementation exigent des évaluations périodiques complètes de la sécurité des barrages, à intervalles allant de 5 à 15 ans, selon la classification des dangers, et devraient notamment évaluer la capacité des déversoirs à l'aide des méthodes et des données actuelles.

Conclusion

La conception de la capacité de déversoir sécuritaire est l'un des aspects les plus critiques de la construction de barrages, qui nécessite l'intégration d'une analyse hydrologique, d'une conception hydraulique et d'une évaluation des risques.

Les ingénieurs doivent fonder les calculs de la capacité des déversoirs sur des données hydrologiques solides, une sélection appropriée des crues, une analyse hydraulique précise et un cheminement réaliste des crues dans le réservoir.

Le domaine de la conception des déversoirs continue d'évoluer avec une meilleure compréhension des précipitations extrêmes, des progrès dans les capacités de modélisation informatique et de la reconnaissance croissante des effets du changement climatique.

Pour les barrages existants, il est essentiel de procéder à une réévaluation périodique de la capacité des déversoirs afin de déceler les lacunes et de mettre en oeuvre les modifications nécessaires avant les inondations, et lorsque des lacunes sont relevées, une série de mesures structurelles et non structurelles peuvent être mises en oeuvre pour réduire les risques et protéger les collectivités en aval.

En fin de compte, la conception sécuritaire des déversoirs exige non seulement une compétence technique dans les calculs hydrauliques, mais aussi un jugement professionnel, une attention aux détails et un engagement indéfectible en matière de sécurité publique.

Ressources supplémentaires

Pour les ingénieurs qui souhaitent obtenir des renseignements supplémentaires sur la conception des déversoirs et le calcul de la capacité, les ressources suivantes fournissent des conseils techniques complets :

Ces sources faisant autorité fournissent des renseignements techniques détaillés, des exemples de conception et des pratiques exemplaires actuelles qui complètent les principes discutés dans cet article. Les ingénieurs devraient consulter ces ressources et maintenir une connaissance des mises à jour et des révisions afin de s'assurer que leurs conceptions reflètent la pratique actuelle.