2.4- Dimensionnement

Remarque : Ceci ne constitue qu'une étude préliminaire. Nous rappelons que les dimensions sont données à titre indicatif et qu'elles seront susceptibles d'évoluer lors de la phase d'avant-projet pour le dispositif sélectionné comme solution d'aménagement.

L'étude doit impérativement être complétée par un calage de la passe en fonction de la ligne d'eau en amont et en aval et de ses variations. Un logiciel spécifique tel que Cassiopée peut être utilisé pour réaliser le calage.

Nous suggérons également de compléter l'étude par une modélisation du fonctionnement des passes sur un logiciel tel que Telemac afin d'optimiser le dimensionnement et vérifier sa fonctionnalité sur la plage de débits Q25-Q75. Des dispositifs d'amélioration pourront être également étudiés si nécessaire (injection de débit d'appoint, section de régulation...).


 

a) Passe technique : passe à échancrure latérale et orifice noyé

L'ensemble des paramètres, formules et données de références ont été tirées de l'ouvrage de Larinier "Passes à Poissons - Expertise et conception des ouvrages de franchissement".

Contraintes techniques : paramètres à fixer

Les principaux paramètres d'une passe à bassin sont les dimensions des bassins et les caractéristiques géométriques de cloisons. Dans notre cas, les cloisons sont dotées d'une échancrure latérale complétée par un orifice noyé.

Les recommandations de Larinier dans son document "Passes à Poissons - Expertise et conception des ouvrages de franchissement" - nous ont permis de fixer les paramètres nécessaires au dimensionnement de ce type de passe. Les paramètres que nous avons fixés sont présentés dans le tableau 2.7 et nous allons expliquer le choix des valeurs que nous avons sélectionnées.

Tableau 2.7 - Choix des paramètres à fixer et valeurs sélectionnées pour le dimensionnement de la passe

- La taille des poissons à faire passer en priorité dans les passes sont les reproducteurs des quatre espèces cibles. Ce choix a été effectué dans le raisonnement Partie I.1.2 - Contexte piscicole. Nous avons donc choisi de nous intéresser prioritairement aux poissons dont la taille est supérieure à 200 mm. Ceci correspond à des vitesses de nage maximale proche de 2 m/s. La hauteur de chute DH entre bassin est calculée par la formule suivante, présentée dans le tableau 2.8. 

Tableau 2.8 - Calcul de DH

Le calcul donne, pour une vitesse de 2 m/s, une hauteur de chute de 0,20 m. Or, nous avons une hauteur de chute du seuil égale à 1,10 m. Donc, pour franchir cette hauteur, deux options sont possibles : 6 chutes de 0,18 m (soit 5 bassins) ou 5 chutes de 0,22 m (soit 4 bassins).  Pour des cyprinidés, la hauteur de chute entre bassin DH est comprise généralement entre 0,15 et 0,25 m donc les deux options sont compatibles avec ces références. Nous choisissons la valeur DH = 0,22 m car il faut éviter de sous dimensionner la hauteur de chute qui risque de rendre la passe moins attractive pour les poissons. Cette dimension servira comme valeur de base pour le dimensionnement général de la passe à poissons.

- La puissance dissipée volumique (Pv) est un indicateur du niveau d'agitation dans les bassins. Pour des petites passes, il est recommandé d'avoir Pv < 150 W/m3. Nous avons choisi de sélectionner la valeur Pv = 150 W/m3 pour conserver une agitation favorable et ce qui permet de ne pas surdimensionner les bassins. En effet, plus la puissance choisie est faible, moins il y aura d'agitation et plus la taille d'un bassin sera grande. 

- Les débits choisis (Q) dans la Partie 1.2.2 - Choix des débits dans la passe -  étaient compris entre 0,10 et 0,20 m3/s. Or, pour une passe à échancrure latérale avec orifices noyés, il est conseillé de faire circuler des débits supérieurs à 0,15 m3/s. Nous avons donc choisi de dimensionner la passe pour un débit de 0,15 m3/s. Ceci correspond au débit moyen de la plage de débit 0,10 - 0,20 m3/s et est valable pour le dimensionnement de ce type de passe.

- La largeur de l'échancrure (b) doit être supérieure à 0,20 m. En effet, elle ne doit pas être trop fine pour limiter la vulnérabilité au colmatage. Elle dépend de la taille des poissons : pour les grands salmonidés, la largeur doit être supérieure à 0,30 - 0,40 m. Dans notre cas, nous avons à faire à des poissons de petite taille ce qui justifie le choix d'une largeur de l'échancrure égale à 0,2 m.

- La surface de l'orifice (c*d) doit être supérieur à 0,04 m². Cet orifice a pour objectif de faire passer les plus petits poissons, ceux qui ne seront pas capable de traverser au niveau de l'échancrure où l'agitation et la vitesse de l'eau sont trop importants. Nous avons donc sélectionné la valeur 0,04 m².

- Le coefficient de débit Cd est une donnée fournie. Nous nous sommes placées dans le cas moyen soit Cd = 0,4 pour l'échancrure et Cd = 0,75 pour l'orifice. 

 

Dimensionnement de la passe

Dimensionnement d'un bassin

A partir des paramètres fixés précédemment, nous avons pu calculer les différentes caractéristiques d'un bassin. Les formules de calculs utilisées ainsi que les valeurs obtenues des différents paramètres sont présentés tableau 2.9.

Le volume du bassin est déterminé grâce à la puissance volumique fixée précédemment. Nous obtenons un volume de bassin de 1,96 m3. Les instructions quant à la longueur et la largeur du bassin ont été présentées dans l'ouvrage de Larinier. A partir des valeurs possibles, nous avons choisis L, B et Tmoy arbitrairement afin d'avoir des valeurs les plus arrondies pour faciliter la construction. Nous avons vérifié nos valeurs avec des exemples de dimensionnement dans le document de Larinier et nos valeurs sont concordantes.

Tableau 2.9 - Dimensionnement de l'un bassin

g (accélération de la pesanteur) = 9,81 m/s² ;  ρ (masse volumique de l'eau) = 1000 kg/m3

 

Dimensionnement général de la passe

A partir de la hauteur de chute (DH), nous pouvons déterminer le nombre de bassins de la passe. Cinq chutes sont nécessaires pour franchir les 1,10 m entre la ligne d'eau amont et aval, ce qui correspond à 4 bassins.

La longueur des bassins (L) est de 2,00 m et la hauteur de chute du seuil de 1,10 m. La pente de l'ouvrage doit donc être de 13,75% (7,83°). Et nous savons que pour une passe technique, la pente de l'ouvrage doit se situer entre 10 et 15% donc nous sommes en concordance avec les valeurs de référence.

 

Dimensionnement général de l'échancrure et de l'orifice

La surface de l'orifice a été fixée précédemment à 0,04 m². A partir de ce paramètre, nous pouvons évaluer le débit qui va circuler dedans. Il est égal à 0,062 m3/s. Le débit circulant dans la passe a été fixé à 0,15 m3/s. Il se partage entre l'orifice et l'échancrure donc nous en déduisons le débit dans l'échancrure, qui est égal à 0,088 m3/s.

Nous avons fixé la largeur de l'échancrure à 0,20 m. Avec le débit associé (0,088 m3/s), nous avons pu calculer la charge sur l'échancrure (H1) égale à 0,39 m.

Tableau 2.10 - Dimensionnement de l'échancrure et de l'orifice

Le dernier paramètre à calculer relatif à l'échancrure est la distance du bas de l'échancrure au fond, noté p. Le calcul est précisé dans l'annexe en lien et aboutit à une valeur de p = 0,73 m.

 

Bilan

Le tableau 2.11 présente la fiche récapitulative des valeurs des paramètres de la passe à échancrure à orifices noyés.

Tableau 2.11 - Paramètres de la passe à échancrure à orifices noyés

Vous trouverez dans les liens suivants : 

- une coupe longitudinale de l'ensemble du dispositif au 1/​50ème,

- une coupe longitudinale d'un bassin et une coupe transversale au niveau d'une cloison au 1/25ème.

 


 

b) Passe naturelle : rampe à enrochements régulièrement répartis

L'ensemble des paramètres, formules et données de références ont été tirées de l'ouvrage de Larinier et al. "Guide technique pour la conception des passes naturelles" (2006).

Contraintes techniques : paramètres à fixer

Les rampes peuvent être dimensionnées pour différents types de poissons allant des grands migrateurs (saumons, lamproies, aloses...) aux petites espèces. Le Vair étant peuplé principalement par de cyprinidés de petite taille (espèces cibles) et les débits étant assez faibles à Harchéchamp, nous avons choisi de nous baser sur les critères de dimensionnement relatifs aux petites espèces. 

Nous avons donc fixé les paramètres nécessaires au dimensionnement et ils sont présentés dans le tableau 2.12.

Tableau 2.12 - Choix des paramètres à fixer et valeurs sélectionnées pour le dimensionnement de la rampe

- La puissance dissipée volumique (Pv) doit être comprise entre 150 et 250 W/m3. Pour cette rampe, nous avons sélectionné une valeur intermédiaire égale à 180 W/m3

- Les débits choisis (Q) dans la Partie 1.2.2 - Choix des débits dans la passe -  étaient compris entre 0,10 et 0,20 m3/s​. Nous avons choisi de faire circuler les mêmes débits que dans la passe technique dimensionnée précédemment soit un débit égal à 0,15 m3/s.  

- Nous avons séléctionné le plus faible débit unitaire (q) pour avoir une largeur de la rampe suffisante pour pouvoir y disposer les enrochements. Pour dimensionner cette rampe, le débit unitaire a donc été de 0,10 m3/s/m.

- La pente (I) doit être au maximum égale à 4% pour pouvoir faire passer les petites espèces. Nous avons choisi une pente de 4 % qui d'une part est adaptée à ce type de passe et d'autre part permet de limiter la longueur de la passe.

- Enfin, pour rappel, la hauteur de chute au niveau du seuil d'Harchéchamp (H) est de 1,10 m et est nécessaire pour certains calculs à venir.

L'ensemble de ces paramètres n'a pas été fixé arbitrairement. Différentes valeurs ont été testées pour réaliser le dimensionnement. Les valeurs présentées ont été celles qui permettaient de respecter au mieux l'ensemble des contraintes exigées pour le bon fonctionnement de la passe. 

 

Dimensionnement de la rampe

L'ensemble des valeurs calculées a du répondre à des contraintes dimensionnelles précisées dans le "Guide technique pour la conception des passes naturelles" de Larinier et al. (2006). Toutes les valeurs ont dues être ajustées entre elles pour répondre à ces contraintes tout en étant cohérentes particulièrement avec les faibles débits du Vair. Les calculs présentés par la suite présentent les résultats obtenus qui répondent au mieux à l'ensemble des exigences relatives au dimensionnement d'une rampe à enrochements régulièrement répartis.

Dimensionnement général de la passe

A partir des paramètres fixés précédemment, nous avons pu calculer les paramètres généraux de la rampe. Les calculs réalisés sont présentés dans le tableau 2.13.

Tableau 2.13 - Dimensionnement de la rampe

g (accélération de la pesanteur) = 9,81 m/s² ;  ρ (masse volumique de l'eau) = 1000 kg/m3

La largeur de la rampe (L) est automatiquement déduite des débits fixés précédemment et est égale à 1,50 m. La longueur de la rampe (Long) dépend de la pente et de la hauteur de chute du seuil et a été évaluée à 27,50 m. 

A partir de la puissance dissipée volumique, nous avons pu calculer la vitesse débitante dans les sections libres qui est égale à 0,46 m/s. De cette valeur, nous avons ainsi pu trouver la hauteur d'eau présente dans la rampe pour le débit fixé, qui est égale à 0,22 m. Cette hauteur d'eau est compatible avec les poissons à faire transiter dans la passe. 

Enfin, la vitesse maximale d'écoulement a été choisie dans une gamme de valeurs comprises entre 1,5 et 2,5 fois la vitesse débitante. Elle a été choisie à 0,87 m/s. Cette vitesse est comprise entre la vitesse maximale soutenable par les poissons et leur vitesse de croisière. Il faudra toutefois s'assurer que les tronçons présentant ces vitesses ne soient pas trop longs pour assurer le passage des poissons. Nous nous baserons sur les graphes établis Partie I-2.3 - Choix des ouvrages - reliant la vitesse du courant, la vitesse des poissons et la distance maximale pouvant être parcourue.

Dimensionnement des enrochements

La disposition et la typologie des enrochements sont essentielles au dimensionnement de la rampe. La face des blocs opposée à l'écoulement peut être plane ou arrondie. Pour obtenir une même hauteur d'eau, il faut un débit supérieur pour la face arrondie que pour la face plane. Les débits de Vair à Harchéchamp étant assez faibles, nous avons choisi de sélectionner des enrochements à face plane, ce qui permet en outre de réduire les vitesses et les puissances dissipées dans la passe.

Pour des enrochements à face plane, nous trouvons que la largeur face à l'écoulement des blocs (D) doit être égale à 0,20 m. Cette valeur est faible comparée aux dimensions des blocs habituellement disposés dans les rampes. Notre rampe ayant des dimensions assez faibles, la valeur de D calculée reste cohérente.

La concentration des blocs a été choisie en parallèle des dimensions ax (espacement longitudinal entre blocs) et ay (espacement latérale entre blocs). Nous avons choisi une longueur de ax proportionnelle à la longueur de la passe et compatible avec les capacités de nage des poissons. Les poissons pouvant soutenir leur vitesse maximale pendant quelques secondes, la distance maximale parcourue est environ de 2 m avec dans les conditions où vmax = 0,87 m. Nous avons choisi une valeur de ay permettant de disposer 1 à 2 blocs dans la largeur de la passe. L'optimisation de ces trois paramètres a donné les valeurs suivantes : C = 0,016 (respect des contraintes), ax = 1,96 m avec ß = 14 ce qui correspond à 15 rangées d'enrochements le long de la passe et ay = 1,25m. Les poissons auront la capacité de franchir la distance ax et trouverons des aires de repos derrière les blocs. Nous en avons déduit par la suite le valeur de b : largeur du passage libre entre les blocs égale à 1,05 m.

La hauteur utile des blocs (k) a été évaluée à 0,40 m et répond à la contrainte k/D compris entre 1 et 2.

Le résumé de l'ensemble de ces calculs est présenté dans le tableau 2.14.

Tableau 2.14 - Calcul des paramètres définissant les enrochements

 

Bilan

Le tableau 2.15 résume les caractéristiques de la rampe à enrochements régulièrement répartis dimensionnée précédemment.

Tableau 2.15 - Valeurs des paramètres de la rampe à enrochements régulièrement répartis

Vous trouverez dans les liens suivants :

- une coupe longitudinale partielle de la rampe au 1/20ème

- une vue du dessus partielle de la rampe au 1/50 ème