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)