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

‚Äčassurer 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
‚Äč- 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.