Solutions envisagées pour le stockage de l'eau pendant l'hiver dans la station

Les retombées économiques liées au tourisme hivernal sont très importantes dans les communes situées à proximité du massif des Écrins telles que Puy-Saint-Vincent. Afin de lutter contre la concurrence des stations voisines et satisfaire les demandes de plus en plus exigeantes de la clientèle, les stations ne cessent de se développer et de se rendre attrayantes.

Le projet conduit ici consiste à vérifier si les besoins en eau qui résulteraient de l'agrandissement de la station, pourraient être satisfaits et optimisés dans leur gestion. Le développement de la station que nous avons imaginé s'articule autour de deux grands points. D'une part, un élargissement du domaine skiable est prévu avec la création de nouvelles pistes et l'augmentation, dans le même temps, de l'équipement en canons à neige (voir Hypothèse d'agrandissement du domaine skiable). D'autre part, la construction de nouveaux logements est envisagée (voir Hypothèse d'agrandissement du parc touristique) afin d'augmenter de façon significative la capacité d'accueil de la station.

Cet agrandissement entraîne une augmentation significative des besoins en eau. Afin de garantir aux skieurs des pistes enneigées, de nouveaux canons à neige vont être installés. La demande en eau supplémentaire pour les alimenter est estimée à 50 000 m3. En outre, l'augmentation de la capacité d'accueil de la station se traduit par un besoin supplémentaire en eau potable d'environ 100 000 m3. L'accroissement des besoins en eau est ainsi estimé à 150 000 m3.

Actuellement, des sources à proximité de la station sont exploitées afin d'alimenter le réseau en eau potable. Les trop pleins sont utilisés pour remplir la retenue d'altitude (ouvrage hydraulique ayant pour objectif de stocker l'eau) située sous le télésiège de la Pendine à 2150 m d'altitude. La retenue est remplie trois fois dans l'année et offre une capacité de stockage de 80 000 m3​ d'eau sur l'ensemble de la saison hivernale. La totalité de l'eau stockée est destinée à la production de neige de culture. En l'état, les dispositifs de stockage de l'eau, présents à ce jour dans la station, ne suffisent pas à subvenir à cet hausse des besoins en eau. D'autant plus que, pour la retenue existante, les droits d'eau sur les trop pleins d'eau potable vont être supprimés dès lors qu'une nouvelle solution de pompage de l'eau sera trouvée. La capacité de stockage et les ressources actuellement utilisées sont donc insuffisantes pour satisfaire au nouvel agrandissement.

                           

Figure 1 - Retenue actuelle de la Pendine sur le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent (Source : Google Earth)

                     

Plusieurs scénarios vont ainsi être étudiés afin de rendre le projet de développement de la station réalisable d'un point de vue de la ressource en eau. Si, dans un premier temps, l'agrandissement de la retenue actuelle a été envisagé, ce scénario a vite été écarté. Les raisons sont exposées dans la section suivante.  Dans un second temps, la création d'une nouvelle retenue a été analysée. Les études préalables ainsi que sa conception et sa rupture sont traitées dans la suite du projet.

Impossibilité d'agrandissement de la retenue existante

Le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent est actuellement équipé d'une retenue collinaire qui permet d'alimenter les canons à neige. Afin de satisfaire à la hausse significative des besoins en eau fixée dans l'hypothèse d'agrandissement, le premier scénario envisagé a été son extension. L'impossibilité de réaliser un tel agrandissement est cependant vite apparu, les raisons avancées sont exposées ci-contre.

D'un point de vue technique, l'agrandissement d'une retenue n'est jamais envisagée. En effet, lors des travaux d'extension, la géomembrane, couche très fragile assurant l'imperméabilité de la retenue, pourrait être endommagée, rendant ainsi l'ensemble de la zone de stockage de l'eau inutilisable à moins de travaux colossaux et coûteux. 

D'un point de vue sécuritaire, le stockage d'un tel volume d'eau peut être dangereux pour l'environnement à l'aval et nécessite donc un redimensionnement des infrastructures de protection conséquent et, une nouvelle fois, est onéreux. De nouvelles études d'impacts seraient également nécessaires au projet, notamment si la classe de la retenue change (l'ouvrage n'est alors plus soumis aux mêmes réglementations). De plus, la présence de deux ouvrages permettrait davantage de flexibilité. En effet, si une des deux retenues est indisponible, la station peut assurer l'enneigement des piste grâce à la seconde.

Dans le cas présenté ici, un troisième problème se pose quant à l'alimentation en eau de la retenue. En effet, si, pour l'instant, la retenue est en partie remplie par les trop-pleins d'eau potable de la station, ces droits d'eau vont à l'avenir être supprimés et par conséquent ne peuvent être considérés comme une source plus importante d'alimentation. Il est donc impossible, du point de vue de la disponibilité en eau, d'étendre la surface de la retenue sans l'ajout d'un nouvel ouvrage d'amenée d'eau (en provenance d'un autre lieu de pompage).

Cet agrandissement de la retenue existante étant inenvisageable, d'autres scénarios doivent être étudiés comme l'implantation d'une seconde retenue.

Conception de la nouvelle retenue

Le second scénario envisagé, pour stocker l'eau supplémentaire et satisfaire au projet d'agrandissement, est la construction d'une nouvelle retenue. La réglementation et les étapes de construction d'un tel ouvrage s'apparentent à celles suivies pour la conception des barrages. On se propose dans la section qui suit, d'une part, de présenter le choix du site d'implantation qui prend en compte les études topographique, géologique et des aléas spécifiques et d'autre part, de s'intéresser à la conception de la retenue en évoquant les éléments clés qui la constituent et le choix de matériaux lorsque les données en notre possession nous le permettent.

Généralement implantées à des altitudes élevées, les retenues d'altitude présentent des spécificités techniques qui leur sont propres en raison du contexte géologique et géotechnique, des variations météorologiques extrêmes et des aléas spécifiques aux zones montagnardes. De ce fait, malgré leur classement administratif dans les petits barrages, peu de manuels techniques existent pour leur dimensionnement et leur conception. Tout au long de notre étude, nous nous sommes donc référées aux retours d'expérience et à l'ouvrage Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux, coord. qui recense les étapes de construction, afin de créer une retenue optimale.

Un soin tout particulier sera apporté au choix des matériaux de construction ainsi qu'au dimensionnement des ouvrages des protection contre les aléas montagnards (avalanches, glissements de terrain, chutes de blocs, laves torrentielles...) afin d'assurer la plus grande sécurité à l'aval.

En effet, des risques importants peuvent être engendrés à l'aval lors de l'implantation d'une retenue. Plusieurs raisons peuvent expliquer cette situation :
- leur position dominante sur la station
- les fortes pentes des versants pouvant générer les phénomènes torrentiels
- leur proximité entraînant un délai très court entre la rupture et l'arrivée au contact de zones touristiques.

C'est pourquoi, l'étude des conséquences de la rupture de la retenue est analysée en détail. La rupture fait l'objet, à part entière, d'une partie ultérieure. 

Etude préliminaire

La première phase d'un projet de retenue d'altitude consiste en la recherche de sites susceptibles d'accueillir l'ouvrage. 

Les premières zones envisagées pour l'implantation sont les sites de replat, qui permettent une construction plus aisée de l'ouvrage. Cette étude a été réalisée grâce aux cartes IGN du géoportail. Les zones retenues sont exposées sur l'image ci-dessous.



Figure 1 - Carte des différents sites envisageables pour l'implantation de la retenue. (source : Google Earth)

 

Une étude géologique du domaine doit être effectuée en parallèle afin de s'assurer que les sites envisagés ne présentent aucun risque rédhibitoire. Cette analyse est ensuite complétée par une étude spécifique concernant les aléas  montagnards caractéristiques. Ces deux études sont présentées dans la quatrième partie "Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard".

A l'issue de ces études et d'une analyse plus approfondie des sites, les inconvénients majeurs de chacun des sites envisagés ont été mis en avant.
Le site 4 présente des pentes relativement importantes dès lors que l'on s'éloigne de la zone de replat. Cette configuration ne permet pas de concevoir une retenue de taille suffisamment importante pour satisfaire les besoins en eau nécessaires à l'agrandissement. De plus, il serait nécessaire de détruire des habitations pour son implantation. Cette zone, basse en altitude, ne facilite pas le refroidissement de l'eau, optimal pour le fonctionnement des canons à neige. En outre, au vu de la zone de pompage choisie pour alimenter la retenue, la construction du réseau risque d'être malaisée.
Le site 3, ancien lac artificiel, impose une destruction totale de la zone avant la création de la nouvelle retenue. Les pentes sont une nouvelle fois relativement élevées. De plus, la commune souhaite abandonner cette zone afin de permettre son retour à l'état naturel.
Le site 2 est situé sur le plateau d'Oréac qui est hors de la commune de Puy-Saint-Vincent, nécessitant ainsi la mise en place d'accords avec la commune voisine. La présence de barres rocheuses tout autour du plateau pourrait également rendre l'alimentation, depuis le site de pompage, délicate.
Le site 1, au pied du plateau, est proche des barres rocheuses d'où des risques de glissement de terrain, d'éboulement ou encore d'avalanches non négligeables. Une partie de la retenue serait de plus sur zone humide. Cependant, ce site présente les caractéristiques topographiques les plus optimales (avec des pentes inférieures à 3% sur une surface de plus de 24000m2).

Ce dernier site semble être le plus propice à la construction de la retenue. Il est toutefois à noter qu'une étude poussée des ouvrages de protection et des risques de rupture devra être effectuée. De plus, une étude des impacts environnementaux liés à cette construction est à réaliser et des mesures compensatoires à prévoir. D'amples d'informations sur l'étude de ces impacts sont disponibles dans la quatrième partie "Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard".

 

Etude d'avant projet

Après avoir défini le site d'implantation de la retenue, sa conception et son dimensionnement doivent être réalisés. Pour ce faire, plusieurs étapes distinctes apparaissent :

- l'étude géotechnique pour le dimensionnement de l'ouvrage principal
- le choix du dispotitif d'étanchéité par géomembrane
- la conception du remblai, c'est-à-dire la détermination de sa hauteur et des pentes associées
- la conception des ouvrages associés tels que l'évacuateur de crue, le système de vidange, le système de drainage, le système de bullage...
- les dispositifs d'auscultation afin de détecter rapidement et précisément les fuites.

L'objectif est d'assurer la sécurité et la durabilité de l'ouvrage ainsi que ses possibilités d'exploitation en fonctionnement pour valider la demande initiale en eau fixée lors de l'hypothèse d'agrandissement.

 

Type de la retenue

Les retenues d'altitudes sont considérées comme des barrages puisqu'elles obéissent à la même législation. Parmi les différents types de barrages existants, les retenues d'altitude sont exclusivement des barrages en déblai-remblai. En effet, les sites d'implantation sont souvent des sites de replats naturels (pas de barrage de talwegs) difficiles d'accès (problématique lors de l'acheminement du béton) avec des fondations ne permettant pas la construction de barrages poids ou voûte.

Plusieurs types de barrage en remblai sont envisageables. Suivant la géologie et la nature des sols (la présence et la quantité de matériaux étanches et étanchéité du substratum), le remblai adopté peut être homogène, zoné ou avec une étanchéité artificielle amont.



Figure 1 - Types de remblais envisageables pour la retenue. De haut en bas : remblais zoné, homogène et avec étanchéité artificielle amont.

Une étude géologique et géotechnique du site, se divisant en deux phases, est nécessaire pour la détermination du type de retenue. La phase de reconnaissance de terrain vise à avoir un premier aperçu du site (observation visuelle de la surface, étude de la propagation des ondes sismiques et de la résistivité du sous-sol) et à récolter des échantillons analysés ensuite dans la phase d'essais en laboratoire. La deuxième phase, quant à elle, permet de définir la nature et les caractéristiques mécaniques et hydrauliques du sol (compressibilité et perméabilité) ainsi que sa réaction aux efforts de compactage et de cisaillement.
Cette étape primordiale est malheureusement irréalisable puisque nous n'avons pas la possibilité de nous rendre sur le site et d'effectuer une telle étude d'un point de vue temporel et budgétaire.

Au vu des conditions habituellement rencontrées en montagne (faible disponibilité en matériaux étanches, granulométrie et teneur en eau hétérogènes...), nous choisirons une retenue en remblai avec un dispositif d'étanchéité artificiel par géomembrane (DEG).

Pour la suite de l'étude, il est déterminant de connaître la classe de la retenue c'est-à-dire un regroupement de barrages suivant leurs caractéristiques principales (hauteur de l'ouvrage et volume de la retenue). Selon le décret du 11 décembre 2007, les classes des barrages de retenue sont les suivantes :

Tableau 1 - Classe de barrage de retenue (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord Editions Quae, 2009)

Au vu du volume stocké souhaité de 150 000m3 sur la période hivernale et sachant que des remplissages successifs sont possibles, notre choix s'est porté sur une retenue pouvant contenir 75 000m3 environ avec une hauteur d'ouvrage de l'ordre de 5m puisque la surface au sol disponible est de 20 000m3. Ainsi la nouvelle retenue serait un ouvrage de classe C. Il ne faut toutefois pas omettre les enjeux à l'aval lors de l'étude.

Dimensionnement de la retenue

Dans cette partie, le dimensionnement du corps principal de la retenue va être traité. Il présentera les différents choix nécessaires à la construction d'une retenue, des fondations au remblai en passant par le dispositif d'étanchéité et le système de bullage.

 

Fondations

La réalisation de l'ouvrage s'initie par la préparation des fondations. L'objectif est de creuser une cuvette dans le but d'augmenter le volume de stockage et de se procurer des matériaux pour la constitution du remblai. Cette étape est importante puisque doit faciliter la pose de la géomembrane en enlevant les principales aspérités pouvant l'endommager.
En tenant compte des pentes de la retenue (forme trapézoïdale avec base la plus petite en bas) et au vue de la topographie du site, les dimensions de la retenue seront 185m x 100m x 5m pour atteindre un volume de 75 000m3. D'après nos calculs, afin d'atteindre le volume de matériaux suffisant pour la construction des remblais, il faut creuser une cuvette d'au moins 3,5m de profondeur. 

 

Dispositif d'étanchéité par géomembrane

Vient ensuite le DEG (Dispositif d'Etanchéité par Géomembrane). Ce dernier n'est pas seulement constitué de la géomembrane. Il inclue également toute la structure de support ainsi que la couche protectrice comme le montre les figures ci-dessous.

Figure 1 - Exemple de DEG avec une structure support adaptée à des matériaux de fond de forme agressifs et des matériaux de remblai semi-perméables (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Tableau 1 - Table récapitulative des structures possibles du DEG

 Structure Objectifs Constitution
Structure support

apporter une résistance mécanique afin d'assurer une portance suffisante à la circulation des engins et la stabilité de la géomembrane sur les talus en présence de vagues

prévenir le poinçonnement de la géomembrane

​assurer drainage et filtration pour limiter le déplacement des fines qui peuvent conduire au contact entre géomembrane et supports agressifs

S1 : couche de forme granulaire pour éviter le poinçonnement

S2 : géotextile filtrant

S3 ou S4 : couche drainante ou géocomposite de drainage

S5 : géocomposite antipoinçonnant

Structure d'étanchéité assurer l'étanchéité de la retenue G : géomembrane
Structure de recouvrement

protéger la géomembrane

résister à l'action de la glace et des vagues

R1 : géotextile antipoinçonnant

R2 : couche intermédiaire de sables et graviers

R3 : couche d'enrochement

 

 

  • Choix des matériaux

Au vu de nos connaissances limitées du terrain (étanchéité et granulométrie des matériaux), nous choisirons une structure du DEG en trois couches comme présentée ci-dessus afin de prévenir tout risque de poinçonnement et de fuite. Pour ce qui est de la géomembrane, une attention particulière sera apportée à son matériaux constituant. En effet, les propriétés, et donc les résistances, sont variables suivant celui choisi comme le montre le tableau ci-dessous.

Tableau 2 - Caractéristiques des géomembranes suivant leurs matériaux (Source : GETECH)

Type de géomembrane épaisseur (mm) format (m) densité (g/m3) soudure déformabilité souplesse faible dilatation thermique résistance chimique et aux UV facilité de pose Commentaires

géomembrane polypropylène 

(PP-F)

e=1-1.5 f=5-6 d=900

thermosoudure 

soudure double canal

oui oui non x peu de retour d'expérience

géomembrane polyéthylène

 (PEHD)

e=1.5-2 f=5-9.4 d=950 soudure double canal non non oui oui bon rapport qualité/prix
Géomembrane (PVC-P)

e=1-1.5 f=2 d=1200

thermosoudure

simple soudure

soudure double canal

oui oui fonction de la formulation chimique oui possibilité de fabrication en grande dimension mais soudure fragile
 Géomembrane (EPDM) e=1.1-1.5 f=3-15 d=1250 vulcanisation à froid oui x non oui possibilité de fabrication en grande dimension mais soudure fragile et impossibilité de contrôle de soudure
Géomembrane bitumineuse e=3-4 f=2-4 d=4000 soudure à la flamme x oui oui non soudure simple à réparer et réaliser, résistance au poinçonnement, prix et poids élevés

Une géomembrane en PVC, va être choisie pour équiper la retenue au vu de ses qualités présentées dans le tableau précédent. Une attention particulière sera apportée aux soudures.

La géomembrane pouvant subir des dégradations, essentiellement des déchirures, il peut être utile de la recouvrir par une structure de protection. Ces endommagements peuvent résulter de plusieurs phénomènes :
- naturels tels que la glace, l'exposition aux vents et aux UV
​- humain tel que le vandalisme.

De plus, l'enrochement constituant la structure de recouvrement peut permettre d'assurer une meilleure sécurité des personnes : en cas de chute dans la retenue, il est possible d'en sortir.
Cependant, la surveillance visuelle n'est alors plus réalisable et sa mise en place est délicate donc coûteuse en temps et entraîne également un surcoût conséquent.

Au vu de l'altitude de l'implantation de la retenue, les effets de la glace risquent d'être importants. L'installation d'une telle structure nous paraît donc judicieuse dans notre cas.

Nous choisirons la structure la plus classique exposée sur la figure 1. Une attention particulière sera portée à la stabilité c'est-à-dire au non-glissement de la structure sur la géomembrane du fait de son poids et des contributions extérieures (se référer à la norme Afnor XP G38-067 Juillet 2010).

  • Conséquences du DEG pour le dimensionnement

L'utilisation d'une géomembrane implique un certain nombre d'aménagements sur la retenue.

Un respect de pentes limites est par exemple nécessaire pour assurer la stabilité de l'ouvrage. En effet, la géomembrane est constituée de lés de 2.5m à 10m de large et des pentes trop importantes pourraient gêner la réalisation correcte de leur soudure.

Les pentes maximales, pour des hauteurs de retenue comprises entre 5 et 10m avec une géomembrane recouverte, est de 1/3 pour le talus amont et 1/2 pour le talus aval.

Tableau 3 - Valeurs indicatives des pentes maximales des talus d'un barrage en terre et en matériaux grossiers sur fondation non compressible (Source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Afin de permettre une vidange complète et un drainage efficace, les pentes au fond doivent être supérieures à 2%.

Un ancrage de la géomembrane peut également être nécessaire pour éviter son glissement d'où une largeur de crête de remblai de 4m minimum. Cette largeur comprend également un espace pour la circulation des engins de travaux (qui ne doivent pas rouler sur la géomembrane sous peine de l'endommager).

 

Remblai

Les deux étapes importantes dans le dimensionnement du remblai sont le calcul de sa hauteur et le choix du dispositif de drainage.

  • Calcul de la hauteur du remblai

Pour calculer les hauteurs de remblai, il est nécessaire de connaître les hauteurs de vagues générées par les vents. C'est donc la première étape de ce dimensionnement.

Deux situations de projet fondées sur la vitesse du vent sont envisageables. D'une part, il est possible de considérer un vent de période de retour de 50 ans à la côte des plus hautes eaux ou un vent de période de retour 1 000 ans à la côte normale d'exploitation.

Figure  2 - Section du barrage au droit de l'évacuateur et revanche sur les plus hautes eaux (PHE) destinés à la protection contre les vagues dues au vent (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Au vu des données (trouvées sur le site de Linternaute.com d'après des données Météo France), la moyenne des vents maximum entre 1999 et 2014 est de 86km/h et la plus forte vitesse de vent mesurée est de 108km/h. N'ayant cependant pas plus de 15 ans de données (loi normale et loi de Gumbel) sur les vents, une extrapolation utilisant des lois statistiques pour les événements extrêmes afin de connaître la vitesse des vents de temps de retour de 1 000 ans ne nous paraît pas pertinent, les incertitudes associées au choix du modèle étant trop élevées. Nous nous contenterons d'extrapoler les vitesses de vent de période de retour 50 ans pour ensuite estimer, grâce à un coefficient multiplicateur empirique, les vitesses de vent de période de retour 1 000 ans.

Figure 3 - Extrapolation des vitesses de vents maximales

En extrapolant les vitesses de vent grâce à la loi normale, une des loi représentative des événements extrêmes, (voir figure 3), on trouve une vitesse de vent de temps de retour 50 ans (soit $f=1-1/T_R=0.98$) égale à 112 km/h. Les données étant peu précises, une marge d'erreur est choisie au risque d'un surdimensionnement, donnant ainsi une vitesse de vent de période de retour 50 ans de 115km/h.

Ne connaissant pas la côte des plus hautes eaux et sachant que des travaux (Cetmef, 2001) ont estimés que $V_{vent 1000 ans}=1.2 * V_{vent 50 ans} $, la hauteur de projet pour les vagues est fixée à 0.65m et la revanche est de 0.55m (interpolation des tableaux ci-dessous) d'où une hauteur de remblai totale de 1.20m au-dessus de la côte normale d'exploitation de l'eau dans la retenue.

Tableau 4 - Hauteur de projet des vagues (en m) en fonction de la vitesse du vent au sol (U), de la longueur du fetch de la retenue (ou longueur maximale F) et de sa profondeur maximale (D) (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Tableau 5 - Revanche nécessaire (en m) vis-à-vis du vent pour un parement amont rugueux de pente 1/3 (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Le dimensionnement de l'épaisseur et du diamètre moyen des enrochements de la structure de recouvrement est alors possible et vaut respectivement 0.43m et 0.27m.

  • Drainage du remblai

Le système de drainage permet de remplir deux fonctions : assurer la stabilité de l'ouvrage dans son entier (DEG et remblai) et évaluer les fuites résultant de l'endommagement de la membrane.

Le remblai le plus classique étant semi-perméable, deux systèmes de drainage sont envisageables. La premier est un dispositif de drainage qui est commun au remblai et au DEG. Il est constitué d'un drain granulaire placé sous la géomembrane et raccordé à l'aval par un réseau de collecteurs afin de récupérer les fuites. Le second mécanisme fait intervenir deux systèmes de drainage distincts pour le remblai et le DEG, composé respectivement d'un drain granulaire vertical et d'un drain géosynthétique pour la DEG. Chacun des drains est relié à un réseau de collecteurs.

Pour le second dispositif, il est possible de dimensionner l'épaisseur du drain vertical à l'aide du tableau suivant.

Tableau 5 - Epaisseur minimale du drain de la cheminée en sable avec H la hauteur du remblai (en m) et V le volume d'eau (en hm3) (Source : CFBR, 2002)

Le calcul donne $H^2 \sqrt V=6.8$, ce qui correspond à une épaisseur minimale de drain de 0.5m. Ce paramètre est considéré comme un indicateur du potentiel de risque à l'aval.

Un drain en zig-zag est également possible, son épaisseur en est alors réduite.

Figure 4 - Différents drains possibles pour le remblai (Source : CFBR, 2002)

Les drains doivent être enrobés d'une couche de matériaux poreux bien compactée, entourée d'un géotextile.

Afin d'assurer un suivi des fuites et de faciliter la maintenance, le système de drainage est compartimenté. Il est alors possible de déterminer si la fuite est issue des remblais, des déblais ou de la cuvette.

Si une nappe phréatique est présente à proximité de l'ouvrage, un dispositif de drainage supplémentaire est à prévoir afin de permettre le rabattement de la nappe.

Outre ces dispositifs, il est également nécessaire de drainer les eaux naturelles issues des versants de la montagne ainsi que celles des déblais afin d'assurer leur stabilité. Des éperons ou des masques drainants sont utilisées suivant l'intensité des venues d'eau. Ces éléments sont en matériaux granulaires auxquels est associé un filtre géotextile.

Pour protéger la structure, il est à noter que des éléments grossiers doivent recouvrir la crête du fait de sa forte exposition aux sollicitations extérieures. Le talus aval fait aussi l'objet d'une protection vis-à-vis du gel et de l'érosion par le ruissellement. Une couche drainante associée à une couverture végétale enherbée ou encore un enrochement doivent être mis en place pour assurer la tenue du talus.

  • Système de bullage

Le système de bullage est la dernière couche de la retenue. Il s'agit d'un système propre aux retenues. Il permet à la fois de limiter la prise en glace des eaux de surface de la retenue et de refroidir l'eau contenue dans la retenue par un brassage par injection d'air sous forme de bulle. Le système de bullage fonctionne dès que la température extérieure est inférieure à 4°C.  En effet, l'eau à la particularité d'être la plus dense pour une température de 4°C, ainsi la couche de surface portée à 4°C va plonger au fond du lac d'où son mélange. Par échanges thermique entre l'eau et l'air du système de bullage, l'eau va être refroidie afin d'atteindre une température inférieure à 2°C, température optimale pour la création de neige de culture. Les couronnes de bullage (c'est-à-dire le réseau de tuyaux transportant l'air tout autour de la retenue comme le montre la figure 5) sont indépendantes ce qui permet une meilleure gestion du système.

Figure 5 - Système de bullage (source : Radio Val d'Isère)

Il est constitué de plusieurs éléments :
- un compresseur d'air d'une pression de 5 bars et d'un débit d'air minimum de N=3750 m3/h dans le cas de la retenue envisagée ($N=0.05 V$ où V le volume d'eau de la retenue)
- un réseau de tuyaux en PEHD, contenant de l'air sous une pression de 10 bars, posé au fond de la cuvette (les réseaux d'eau sont habituellement espacés d'une distance de 6 m environ). Ce réseau est maintenu au fond de la cuvette grâce à des lests. Une distance de 10 cm entre le fond et les couronnes est requise afin de limiter le soulèvement des fines déposées au fond de la retenue
- des gicleurs, disposés sur les tuyaux, avec un espacement de 2 m permettent d'assurer la refroidissement escompté.

Stabilité et dispositif d'auscultation

Afin de garantir, la durabilité de l'ouvrage, une étude de sa stabilité doit être effectuée et un dispositif d'auscultation mis en place pour connaître ses dégradations au cours du temps.

Justification de la stabilité de l'ouvrage

Lors de la conception de l'ouvrage, il est impératif de fournir des justifications pour la stabilité des retenues disposant d'un dispositif d'étanchéité par géomembrane. L'approche utilisée considère les états-limites. Pour calculer ces derniers, plusieurs situations caractéristiques appelées situations de calcul sont étudiées. Les paramètres géotechniques nécessaires au calcul sont fixés à partir de valeurs caractéristiques. Ces valeurs sont soigneusement déterminées par des géotechniciens. Une marge de sécurité est ajoutée.

Plusieurs situations de calcul sont envisagées :
- la situation durable d'exploitation : il s'agit de la situation normale d'exploitation. Elle fournit une justification de la stabilité à long terme.
- les situations transitoires : il s'agit de situations courtes ayant une probabilité d'occurrence importante. Des justifications de la stabilité à court terme peuvent découler de cette analyse. Quatre situations transitoires majeures sont classiquement abordées, qui sont les situations en fin de construction, en crue,  lors d'une vidange et lors de l'élaboration de la structure de recouvrement de la géomembrane.
- les situations accidentelles : il s'agit de situations brèves ayant une probabilité d'occurrence faible. On peut citer les aléas sismiques, la défaillance d'un constituant de l'ouvrage ou les aléas susceptibles de créer une vague dans la retenue (avalanche, chute de blocs...).
- les situations de défaillance du DEG (raccordement défectueux, poinçonnement, déchirure) et du dispositif de drainage.

Les états-limites, déterminés pour les situations énoncées ci-dessus, sont les suivants :
- état-limite ultime de glissement pour le remblai, le déblai et la fondation : les méthodes de calcul propres aux ruptures circulaires sont appliquées.
- état-limite ultime de stabilité du versant et du site : les méthodes de calcul permettant d'étudier la stabilité des pentes en rupture sont classiquement utilisées. Cet état-limite permet de considérer la stabilité aux grands glissements.
- état-limite de glissement du DEG et de la couche de protection : la norme Afnor Géosynthétiques - Géotextiles et produits apparentés - Stabilisation d'une couche de sol mince sur pente - Justification du dimensionnement et éléments de conception expose les méthodes de calcul à appliquer.
- état limite de rupture par érosion : les conditions de filtrage et de percolation doivent être vérifiées.
- état-limite de déformation : puisque les fondations des retenues d'altitude sont généralement peu compressibles, cette étude est souvent réduite à la vérification de l'absence de déformations.

Pour les lecteurs désireux d'explications plus détaillées sur ces justifications d'états-limites, de plus amples informations sont disponibles dans l'ouvrage Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux, coord.

 

Dispositif d'auscultation

La surveillance du comportement de la retenue à long terme s'effectue grâce à un dispositif d'auscultation. Ce dernier mesure le comportement mécanique mais également le comportement hydraulique, essentiels pour connaître les défauts d'étanchéité.

Dans notre cas (retenue de classe C avec enjeux à l'aval sans difficulté particulière), le dispositif minimal est :
- une sonde de pression et une échelle limnimétrique pour connaître la cote du plan d'eau
- des dispositifs compartimentés de drainage des débits dans le corps du barrage, la cuvette et le déblai avec mesures télétransmises des débits à l'aval des compartiments
- une mesure de la topographie (planimétrie et nivellement) pendant les cinq premières années d'exploitation

Il est possible d'améliorer la mesure des débits de percolation, principale données permettant la détection des fuites, actuellement contenu dans les débits de drainage, grâce à des méthodes en cours de développement qui sont :
- la mesure par méthodes électriques sous la géomembrane
- la mesure par fibre optique

Cette dernière méthode s'appuie sur la capacité de la fibre optique à transmettre l'information sans perte de données. Un chauffage du câble permet de détecter une différence de température lors d'une fuite (si la différence est supérieure à 0.1°C) et ainsi de la localiser (avec une précision de l'ordre de la dizaine de centimètres sur plusieurs kilomètres).

Dimensionnement des ouvrages associés à la retenue

Plusieurs ouvrages sont associés à la retenue afin d'assurer sa sécurité. L'évacuateur de crue, le système de vidange ainsi que la protection contre les avalanches sont essentiels pour l'ouvrage qui est conçu à Puy-Saint-Vincent.

Evacuateur de crues

Le rôle principal de cet ouvrage est de permettre l'évacuation, en toute sécurité, des eaux excédentaires susceptibles d'atteindre la retenue. Sa construction est obligatoire et il doit comporter trois élément distincts : un seuil d'entonnement, un coursier (pour l'accompagnement de l'eau collectée dans la pente) et un canal de restitution effectuant le lien entre le coursier et le milieu extérieur.

Puisque la retenue que nous concevons n'est pas située à proximité d'un cours d'eau important et que le pompage nécessaire à son alimentation est au fond de la vallée, l'évacuateur le plus classique peut être envisagé. Il s'agit d'un évacuateur à seuil libre dont la cote du seuil est fixée à la cote de retenue normale d'exploitation. Il serait donc nécessaire de laisser une ouverture de 1.20m dans le remblai.

Le dimensionnement de la largeur de l'évacuateur de crue doit se baser sur la crue de projet. Il est nécessaire que la cote de la retenue en cas de crue de projet reste inférieure à la cote des plus hautes eaux. La période de retour de la crue est déterminée à partir de la classe de l'ouvrage. Dans le cas présent, une crue de temps de retour de 5000 ans devra être considérée.

 

Ouvrages de vidange

Par soucis de sécurité, il est impératif de doter la retenue d'un organe de vidange afin de pouvoir abaisser la hauteur d'eau de la retenue rapidement. Le dimensionnement du système de vidange doit permettre de diminuer de moitié la charge en moins de 8 jours, soit un tiers de la hauteur d'eau du fait de la forme évasée à la surface de la retenue, et de vider complètement la retenue en moins de 21 jours.

Afin de respecter les conditions énoncées ci-dessus, sachant que le tiers de la hauteur d'eau correspond à un volume de 30 500m3, le débit minimal à considérer est de 0.044m3/s. Pour plus d'efficacité, nous choisirons un débit de 0.07m3/s.  En supposant que la conduite de vidange est circulaire, immergée en amont et dénoyée en aval, la formule suivante est applicable pour trouver le diamètre : $ d= 2 \sqrt {Q \over { \pi C \sqrt{2gH}}} $
où C un coefficient valant 0.4
H la hauteur d'eau totale (en m) (en considérant que les pertes de charges sont nulles donc que la charge est égale à la hauteur d'eau)
et Q le débit de vidange (en m3/s)

On trouve ainsi un diamètre de 15cm.

La conception du vannage associé à la conduite de vidange dépend de la classe de la retenue. Pour un ouvrage de classe C avec des enjeux à l'aval, il faut prévoir deux vannes, une vanne de garde amont et une vanne de service aval. Le système de bullage précédemment décrit permet de limiter l'effet de la glace sur la manipulation des vannes. Des ouvrages de dissipation d'énergie sont à prévoir pour la restitution de la vidange afin de limiter les risques de glissement.

 

Système de protection contre aléas naturels gravitaires

Des aléas spécifiques aux zones de montagne peuvent affecter la retenue, il s'agit avant tout des avalanches et des phénomènes torrentiels.

Les avalanches se produisent lorsque la pente est importante (supérieure à 30°) et dépendent de l'histoire du manteau neigeux. Des chutes de neige abondantes récentes ou un réchauffement peuvent conduire à son occurrence. Les formes de décrochement (ponctuel, suivant une ligne...) et la dynamique peuvent être très variables suivant les propriétés du manteau neigeux mis en jeu. Elles sont classiquement réparties en deux types : avalanche coulante ou avec aérosols. Mais en réalité, la plupart des avalanches observées sont mixtes et possèdent à la fois une phase dense et une phase d'aérosols.

Les phénomènes torrentiels sont la conséquence d'un apport d'eau important. Orages, fonte des neiges ou rupture de barrages naturels ou anthropiques peuvent en être à l'origine. Deux catégories d'écoulement avec transport solide peuvent être distinguées, le charriage (le transport sédimentaire est similaire à celui en rivière) et les laves torrentielles (rencontrées sur fortes pentes et propres aux torrents). Ces phénomènes peuvent présenter un risque dès qu'un débordement survient.

Afin de limiter les risques, les zones d'implantation des retenues d'altitude ne doivent pas être soumises à des probabilités d'occurrence des phénomènes gravitaires supérieures à 10-3 lorsque les enjeux à l'aval sont conséquents. Il est cependant possible de considérer des zones susceptibles d'être plus impactées (sans toutefois dépasser 10-2), mais il est alors indispensable de prévoir la réalisation d'ouvrages de protection spécifiques contre les aléas gravitaires.

Plusieurs types de protection peuvent être mis en oeuvre :

- une protection active afin d'empêcher que le phénomène puisse se produire, mais elle ne permet pas, à elle seule, d'assurer une protection efficace et suffisante et doit être associée à un dispositif passif.

Tableau 1 - Dispositifs disponibles de protection active

  Avalanches Phénomènes torrentiels
Objectifs ancrage du manteau neigeux limiter les phénomènes de ruissellement et d'érosion
Ouvrages

filets

claies

rateliers

ouvrages modifiant la dépose de la neige dans les zones non souhaitées

revégétalisation (forêt)

revégétalisation des bassins versants

travaux de correction torrentiels effectués dans les ravines et lit de torrents (ex : barrages en cascade)

 

- une protection passive afin de protéger la retenue contre des phénomènes effectivement produits. Il s'agit de la technique de protection réellement considérée comme efficace quelque soit les conditions rencontrées. Elle doit donc faire l'objet d'une étude de risque résiduelle afin d'être validée.

Tableau 2 - Dispositifs disponibles de protection passive

  Avalanches Phénomènes torrentiels
Objectifs dévier ou arrêter l'écoulement

retenir ou dévier les sédiments de la crue torrentielle

dévier l'écoulement

limiter l'affouillement

Ouvrages

remblai en terre ou en béton

tas pour freiner ou diviser l'écoulement

digues (permettant le stockage du volume de neige)

digues  ou double digues en remblai et béton dans la phase terminale

plages de dépôts

présence de seuils contre l'affouillement

- des mesures de protection temporaires qui imposent une gestion particulière en cas de  situations de risque imminent. Elles peuvent être passives (pas d'action directe sur le phénomène mais limitation du risque par vidange rapide de la retenue) ou actives dès lors que le phénomène est artificiellement déclenché pour une plus grande sécurité.

 

Dans notre cas d'étude, la retenue est située à l'aplomb d'une barre rocheuse de 100m de haut et d'une pente moyenne de 65%. Les risques d'avalanches sont donc avérés et un dispositif de protection passif s'impose. Un dispositif de paravalanche de type digue déflectrice est envisagé pour protéger le site et dévier l'écoulement de neige en dehors du site d'implantation de la retenue. Au vu des données disponibles, nous obtons pour le dimensionnement traditionnel du paravalanche (méthode de Salm).

L'ouvrage de dimensionnement des paravalanches The Design of avalanche protection dams de la Commission européenne expose la démarche traditionnelle à suivre pour réaliser de tels ouvrages. La hauteur du paravalanche, notée HD est définie comme : $$ H_D=h_u+h_f+h_s$$ où hu est la hauteur résultant de la vitesse de l'avalanche, hf l'épaisseur du coeur dense de l'avalanche et hs l'épaisseur de neige présente au niveau du paravalanche avant l'avalanche.


Figure 1 - Schéma représentatif des notations de hauteurs nécessaires pour le dimensionnement (source : The Design of avalanche protection dams de la Commission européenne, 2009)

  • Détermination des trois hauteurs :

L'avalanche considérée pour dimensionner l'ouvrage de protection entraîne la mise en place de plusieurs hypothèses. Nous choisissons une avalanche de fonte car la quantité de neige mise en jeu est la plus importante (toute la hauteur de neige du manteau est concernée).
Une avalanche se déclenche sur des pentes supérieures à 30°. Les barres rocheuses à l'aplomb de la retenue peuvent atteindre localement 34°, le risque d'avalanche est donc avéré mais les pentes restent relativement faibles, il s'agit donc essentiellement d'avalanches coulantes. Leur vitesse moyenne est de 60 km/h et leur épaisseur de front comprise entre 1 et 20 m (données Irstea). La variation de vitesse peut cependant être très importante. Nous avons donc analysé des retours concernant des avalanches pour des pentes similaires dont celui de l'avalanche de 2012 à la Lauzière, Saint-François-Longchamp (73). Au vu de la littérature, la valeur de 45 km/h sera appliquée car un replat est présent entre la retenue est les fortes pentes et l'épaisseur du front sera prise égale à 2 m.

L'épaisseur de neige avant l'avalanche hs va être estimée à partir des données d'enneigement fournies par Météo France à Puy-Saint-Vincent (1380m). Nous choisissons de considérer la valeur maximale d'enneigement des cinq dernières années pour l'évaluation de hs. Une hauteur de neige sera ajoutée à la valeur trouvée afin de prendre en compte la différence d'altitude entre le site de la retenue (1850m) et le point de relevé des hauteurs de neige (1380m). La hauteur maximale de neige observée à 1380 m est 140 cm, soit après application d'un coefficient de 25%, une hauteur hs de 175 cm à 1860 m.

La hauteur résultant de la vitesse de l'avalanche hu est définie comme $h_u={u² \over  {2g \lambda}}$ où les paramètres u et $\lambda$ sont respectivement la vitesse de l'avalanche et un paramètre empirique permettant de prendre en compte la perte de quantité de mouvement lorsque l'avalanche heurte le paravalanche. La vitesse de l'avalanche est posée égale à 45km/h (soit 12.5 m/s) et $\lambda$ à 2. La variation de ce dernier est comprise essentiellement entre 1 et 2, ou plus parfois, suivant la taille de l'ouvrage de protection considéré. Le paravalanche construit étant de taille moyenne, une valeur de 2 sera appliquée.
On obtient donc après calcul hu=4m.
On peut cependant noter que la variation de la vitesse de l'avalanche considérée influence de manière significative la valeur de la hauteur. Pour 60 km/h, hu vaut 9.8m (augmentation de plus de 50% de la hauteur pour une augmentation de vitesse de 15 km/h).

L'épaisseur du coeur dense de l'avalanche hf correspond à la hauteur de l'avalanche à laquelle  a été ôtée la phase en suspension (aérosol).
L'avalanche est considérée comme coulante, sa hauteur de neige est donc équivalente à l'épaisseur du coeur dense. Au vu de l'avalanche considérée, on estime donc ici hf à 2 m.

La hauteur totale de l'ouvrage est HD=1.75+2+4=7.75m. Sa hauteur peut être rabaissée si des ouvrages de soutien du manteau neigeux (filet Vela par exemple) sont installés dans les zones raides afin de limiter la reptation de la neige. La solution adoptée dépendra du coût de construction de tels aménagements. La longueur de l'ouvrage idéal est d'environ 175m et sa géométrie comme représentée sur la figure suivante :


Figure 2 - Schéma récapitulatif de l'aménagement. Le polygone vert représente la retenue et le polygone bleu la digue déflectrice. La zone en rouge est la zone comportant localement des pentes supérieures à 30° susceptibles d'être affectées par des avalanches. (source : Google Earth)