L'ingénierie des barrages est une pierre angulaire de la gestion des ressources en eau depuis plus d'un siècle, fournissant des services essentiels comme la lutte contre les inondations, l'irrigation agricole, l'approvisionnement municipal en eau et la production d'énergie hydroélectrique. Toutefois, le parc mondial de barrages vieillit, et ce, pour la seule fois aux États-Unis, il y a plus de 50 ans.

L'impératif croissant pour les réformes de l'ingénierie des barrages

Les barrages représentent certains des ouvrages de génie civil les plus importants et les plus complexes jamais construits. Historiquement, leur durée de vie de conception de 50 à 100 ans a supposé un climat relativement stable et une croissance démographique limitée en aval. Aujourd'hui, la réalité est différente : les précipitations extrêmes sont plus fréquentes, les charges de sédiments changent et de nombreux barrages fonctionnent bien après leur durée de vie initiale. Les conséquences de l'échec sont catastrophiques, comme en témoignent des incidents comme la crise du déversoir du barrage Oroville en Californie en 2017 et les défaillances du barrage en 2020 au Michigan. Ces événements soulignent la nécessité d'un programme de réforme systématique qui porte à la fois sur l'intégrité structurelle et l'efficacité opérationnelle.

Principaux défis à relever Face à la sécurité et à l'efficacité des barrages

Pour comprendre l'ampleur des réformes techniques, il est essentiel d'examiner d'abord les problèmes spécifiques qui menacent la sécurité des barrages et limitent l'efficacité, et qui touchent les domaines structurels, environnementaux et opérationnels.

Détérioration structurelle et infrastructure vieillissante

Les barrages de béton et de remblai se dégradent au fil du temps par des réactions chimiques, des cycles de gel-dégel et de fatigue mécanique. La réaction Alkali-silica (ASR), l'attaque au sulfate et la corrosion de renforcement sont courantes dans les barrages de béton plus anciens. Les barrages de remblai souffrent d'érosion interne (pipage), de colonisation et de perte d'intégrité du filtre.

Sédimentation et perte de capacité de stockage

La sédimentation des réservoirs est un problème universel qui réduit le volume de stockage, nuit à la maîtrise des inondations et diminue la production hydroélectrique. À l'échelle mondiale, les réservoirs perdent environ 1 % de leur capacité de stockage chaque année en raison de l'accumulation de sédiments.Dans certaines régions, comme le Moyen-Orient et l'Asie du Sud, les taux sont encore plus élevés.

Changement climatique et phénomènes météorologiques extrêmes

De plus, les sécheresses prolongées peuvent affaiblir le sol de remblai par des fissures de dessiccation, tandis que la fonte rapide des neiges peut produire des entrées bien au-delà des paramètres de conception. L'incertitude associée à l'hydrologie future exige que les barrages soient conçus et exploités avec une plus grande résilience que les hypothèses climatiques fixes traditionnelles permises.

Normes de conception dépassées et pratiques opérationnelles

De nombreux barrages ont été conçus à l'aide d'estimations probabilistes des crues du milieu du XXe siècle qui ne sont plus valides. Les procédures opérationnelles de rejet d'eau, de fonctionnement des portes et d'intervention d'urgence sont souvent manuelles et lentes à s'adapter aux conditions en temps réel.

Réformes techniques pour améliorer la sécurité

Les réformes en matière de sécurité doivent porter non seulement sur les améliorations physiques, mais aussi sur la surveillance, la modélisation et les pratiques institutionnelles.

Systèmes avancés de surveillance et de détection précoce

Les inspections manuelles traditionnelles ne permettent pas de détecter les modes de défaillance en cours de développement. Les réseaux de capteurs modernes, y compris les jauges de contrainte à fibre optique, les inclinaisonmètres, les piézomètres et les instruments géotechniques, fournissent des données continues sur le comportement des barrages. Par exemple, le département des Ressources en eau de Californie a installé de vastes réseaux de capteurs sur des barrages critiques comme Oroville, reliant les données aux alarmes automatisées et aux tableaux de bord.

Réaménagement et modernisation sismiques

La sécurité sismique est une préoccupation majeure pour les barrages dans les zones tectoniques telles que la côte ouest des États-Unis, le Japon et le Népal.

  • T tendons ancrés post-tension pour stabiliser les barrages gravitationnels contre le renversement.
  • Installation de murs de coupe, de sols en mélange ou de rideaux de coulis pour améliorer la résistance de la fondation.
  • Renforcement des barrages en béton avec des contreforts ou des sections épaissies.
  • Élargissement ou aplatissement des pentes de remblai pour réduire le stress pendant les tremblements.
  • Ajouter le remblayage aux orteils en aval pour résister à la déformation induite par la liquéfaction.

Ces travaux doivent être adaptés à chaque barrage en fonction de sa géométrie, de ses conditions de fondation et de son niveau de risque sismique. La Federal Energy Regulatory Commission (FERC) et les organismes publics de sécurité des barrages exigent maintenant des évaluations périodiques des risques sismiques pour les barrages à haut risque.

Plans d'action et protocoles d'intervention d'urgence améliorés

Les plans d'action d'urgence (PAE) doivent être mis à jour pour refléter les nouvelles données hydrologiques, le développement en aval et les analyses en mode de panne. Les exercices de forage et de table devraient être effectués régulièrement avec les gestionnaires locaux des urgences.Les systèmes automatisés de contrôle des portes peuvent être intégrés à des modèles hydrologiques en temps réel pour exécuter des séquences de rejets pré-planifiées lorsque les niveaux de réservoir augmentent rapidement.

Réaménagement et remise en état des barrages vieillissants

Pour les milliers de barrages qui dépassent ou approchent leur durée de vie, des programmes de remise en état complets sont nécessaires.

  • Réparation et étanchéité de béton des tailles de barrage, des déversoirs et des ouvrages de sortie.
  • Remplacement des portes, des vannes et des palans vieillissants par des matériaux résistant à la corrosion tels que l'acier inoxydable ou les composites.
  • Moderniser les systèmes de drainage pour réduire la pression de montée et contrôler l'infiltration.
  • Installation de nouvelles barrières imperméables dans les remblais à l'aide de murs de coupe en béton plastique, en bentonite, en ciment ou en sol.
  • Ajouter des superpositions en béton à rouleaux (RCC) pour stabiliser les pentes de remblai.

Le Bureau of Reclamation des États-Unis gère l'un des programmes de remise en état des barrages les plus complets au monde, en mettant l'accent sur la gestion du cycle de vie et la prise de décisions éclairées aux risques.

Améliorer l'efficacité par l'ingénierie innovante

La sécurité et l'efficacité ne sont pas des objectifs contradictoires; de nombreuses améliorations qui renforcent la sécurité augmentent également la flexibilité opérationnelle et les rendements économiques.

Conceptions optimales des voies de déversement et capacités de gestion des inondations

La capacité de déversement insuffisante est l'une des principales causes de rupture du barrage lors des inondations extrêmes.

  • Élargir ou abaisser les crêtes des déversoirs pour augmenter la capacité de décharge.
  • Ajouter des bouchons de fusible ou des labyrinthes pour améliorer le débit pour les grands événements sans élever le niveau de la piscine.
  • Remplacer les déversoirs fermés par des déversoirs non contrôlés pour éliminer les risques de défaillance mécanique.
  • Incorporer des déversoirs à marches qui dissipent l'énergie et réduisent l'affouillement à l'orteil.
  • Intégrer les déversoirs auxiliaires ou les déversoirs d'urgence conçus pour gérer le risque de crue maximale (FMR).

La modernisation des voies de déversement non seulement empêche le suremblayage, mais réduit également le besoin de freeboard excessif, permettant ainsi des niveaux de piscine plus élevés normaux pour l'alimentation en eau et l'hydroélectricité. La modélisation de la dynamique des fluides computationnels (CFD) permet désormais une analyse hydraulique détaillée des voies de déversement pour optimiser la géométrie et la dissipation d'énergie.

Intégration de l'hydroélectricité et amélioration de l'efficacité

De nombreux barrages sont sous-utilisés pour la production d'électricité.

  • Remplacer les turbines par des modèles modernes à haute efficacité (p. ex., Kaplan, Francis ou Pelton).
  • Ajout d'unités de production à vitesse variable qui fonctionnent efficacement sur une plus grande gamme de têtes et de débits.
  • Installation de petits modules hydroélectriques dans des barrages à faible puissance ou non pour produire de l'électricité à partir de débits précédemment gaspillés.
  • Mettre en place une capacité de stockage pompé dans les barrages de réservoirs existants pour stocker l'énergie renouvelable excédentaire provenant du vent et du solaire.

Le Office des technologies de l'eau du ministère de l'Énergie des États-Unis soutient des projets de recherche et de démonstration visant à accroître la flexibilité de l'hydroélectricité et à réduire les impacts environnementaux, tels que des conceptions de turbines adaptées aux poissons et des systèmes de contrôle avancés.

Gestion des sédiments et durabilité du réservoir

L'accumulation de sédiments doit être gérée de manière active pour préserver le stockage, réduire la maintenance et maintenir la connectivité des écosystèmes.

  • La chasse hydraulique en abaissant le niveau d'eau du réservoir pour permettre au débit de transporter les sédiments au-delà du barrage, souvent utilisé dans les systèmes exploités de façon saisonnière.
  • Systèmes de dérivation des boues qui détournent l'entrée des sédiments autour du réservoir et retournent dans la rivière en aval.
  • Dragage mécanique à l'aide de dragues à aspiration de coupe ou de trémie, avec élimination ou réutilisation bénéfique des sédiments enlevés.
  • Des mesures en amont du bassin hydrographique, comme le reboisement, la vérification des barrages et le pâturage contrôlé, afin de réduire l'érosion et le rendement des sédiments.

De grands barrages en Chine, comme le barrage des Trois Gorges, utilisent des prélèvements planifiés et des réservoirs en cascade pour maximiser la transmission des sédiments. La technologie acoustique et laser avancée permet de mesurer la concentration des sédiments en temps réel, ce qui permet des stratégies de libération adaptatives.

Gestion intelligente de l'eau et automatisation

La numérisation des opérations de barrage révolutionne à la fois la sécurité et l'efficacité.

  • Les prévisions hydrologiques en temps réel qui utilisent des radars météorologiques, des jauges de cours d'eau et des modèles de précipitations d'ensemble pour prévoir les entrées de gaz à l'avance.
  • Exploitation automatisée de la porte basée sur des courbes de règles de réservoir qui équilibrent le stockage des inondations, l'approvisionnement en eau et les débits écologiques.
  • Des jumeaux numériques, des répliques virtuelles du barrage et du réservoir, qui simulent des scénarios opérationnels et des modes de défaillance dans des conditions variables.
  • Systèmes intégrés d'appui à la décision qui rassemblent les données de plusieurs organismes pour coordonner les rejets d'eau dans un bassin hydrographique.

Parmi les exemples de projets de barrages intelligents, mentionnons le nouveau système de contrôle du barrage Shasta en Californie, qui utilise des données en temps réel sur les paquets de neige pour optimiser les rejets d'hydroélectricité, et les opérations automatisées d'inondation du système de réservoir de la Tennessee Valley Authority.

Orientations futures en génie des barrages

Pour l'avenir, la communauté de l'ingénierie des barrages doit adopter une approche proactive et adaptative qui intègre les sciences du climat, les matériaux avancés et l'engagement communautaire.

Conception et réévaluation adaptées au climat

Au lieu de s'appuyer sur les données historiques sur les inondations, les futurs plans devraient utiliser des évaluations des risques tenant compte du climat qui intègrent les projections de précipitations et de températures les plus défavorables.De nombreuses agences de sécurité des barrages exigent maintenant des essais de résistance des barrages selon une série de scénarios climatiques futurs, y compris des événements qui dépassent le CMR.

Matériaux avancés et techniques de construction

Les innovations en matière de science des matériaux permettront de construire des barrages plus durables et plus adaptables, notamment :

  • composites en polymère renforcé de fibre (FRP) pour la rénovation des structures en béton et l'allongement de la durée de vie de la fatigue.
  • Le béton autoguérisant qui utilise des bactéries ou des polymères encapsulés pour sceller automatiquement les fissures.
  • Des structures de sol renforcées par géogrille pour les barrages de remblai, permettant des pentes plus raides et une réduction de l'empreinte.
  • Le béton compacté (CCR) a accéléré les méthodes de positionnement qui raccourcissent le temps de construction des déversoirs et des recouvrements.
  • Membranes d'étanchéité avancées qui protègent le béton contre les attaques chimiques et les dommages par gel-dégel.

Opérations intégrées de réservoir pour la durabilité

L'avenir de la gestion des barrages repose sur une optimisation multi-objectifs qui équilibre les besoins humains et écologiques.Les exigences en matière de débit environnemental, de gestion de la qualité de l'eau et d'accès récréatif doivent être intégrées dans les courbes des règles opérationnelles. Des réformes telles que les protocoles --délivrance adaptée--- pour les habitats en aval sensibles à la température sont déjà en cours d'application dans le bassin du fleuve Columbia.

Engagement communautaire et gouvernance transparente

Les propriétaires de barrages et les organismes de réglementation devraient faire participer les collectivités locales à la communication des risques, à la planification des urgences et à la prise de décisions concernant les modifications majeures ou le déclassement. Le partage transparent des données, comme les niveaux de réservoir en temps réel et la classification des risques, contribue à l'obtention d'un soutien à long terme.

Conclusion

La modernisation des systèmes de surveillance, la modernisation des structures de résistance sismique et hydrologique, la gestion des sédiments et l'intégration de technologies numériques intelligentes permettent à l'industrie des barrages de prolonger la durée de vie utile des infrastructures essentielles tout en s'adaptant à un climat changeant. La poursuite des investissements dans la recherche, les mises à jour réglementaires et les partenariats de collaboration, comme ceux encouragés par la Commission internationale des grands barrages (CIOLD) et les organismes nationaux de sécurité des barrages, permettra de garantir la sécurité et la viabilité économique des barrages pendant des décennies à venir.