Etudes du profil des seuils d'évacuateurs de crues
Etude théorique, numérique et expérimentale du profil des seuils d'évacuateur de crues standards
Les évacuateurs de crue sont les principaux organes de sécurité des barrages. Ils ont pour objectif de gérer les conséquences, aussi bien en amont qu’en aval de l’ouvrage, des crues entrant dans le réservoir, tout en minimisant les risques de débordement et les conséquences souvent catastrophiques qu’une telle situation impliquerait. Les évacuateurs de crue sont en règle générale composés d’un seuil déversant en béton, éventuellement surhaussé par une vanne en acier. La géométrie du profil vertical des seuils déversant joue un rôle primordial dans leur interaction avec l’écoulement avec des impacts directs aussi bien sur les sollicitations induites sur le seuil que sur la relation entre le niveau d’eau dans le réservoir en amont et le débit évacué. Ainsi, la forme des déversoirs a fait l’objet de très nombreuses études dès les années 1890, avec un pic lors de l’âge d’or de la construction de grands barrages durant les golden sixties, conduisant fin des années 1980 à l’adoption d’un profil « standard » par la communauté des ingénieurs hydrauliciens.
Ce profil standard est dimensionné pour une crue, et donc un niveau de retenue (charge), qui correspond au maximum considéré lors du dimensionnement du barrage (crue de dimensionnement). Il garantit alors que, pour toute crue à laquelle ferait face l’ouvrage au cours de sa durée de vie, les pressions exercées par l’écoulement sur le seuil seront supérieures ou égales à la pression atmosphérique (pas de risque de cavitation) et que le niveau de retenue sera minimal.
Aujourd’hui, face à l’allongement de la durée de vie des grands barrages, qui atteignent en moyenne en Europe et en Amérique du Nord 50 ans d’âge, face à l’urbanisation croissante des bassins versants, et face enfin au changement climatique, la probabilité de voir les évacuateurs de crue existants soumis à des crues supérieures à leur crue de dimensionnement augmente significativement. D’autre part, force est de constater que le profil de la grande majorité des évacuateurs de crue en cours d’exploitation ne respecte pas la géométrie « standard » proposée dans la littérature. Ces deux éléments, capitaux pour appréhender le niveau de sécurité des grands barrages existants, ont conduit le Centre d’Ingénierie Hydraulique (CIH) d’Electricité de France (EDF), second producteur d’électricité au niveau mondial et exploitant de 640 barrages en France, à réaliser avec le groupe de recherche en Hydraulique de l’Environnement Naturel et Construit (HECE) de l’Unité de recherche Urban and Environmental Engineering (UEE), une étude pour définir les risques liés à l’exploitation des déversoirs standards au-delà de leur charge de dimensionnement ainsi que les conséquences de la non-conformité des profils réellement réalisés au profil type recommandé dans la littérature et pour suggérer une nouvelle forme économique visant à les rendre plus robustes.
L’étude a été menée en étroite collaboration par les équipes de l’ULiège et du CIH. Elle a d’abord conduit à des avancées théoriques significatives dans la compréhension des phénomènes physiques qui régissent les écoulements à surface libre sur les déversoirs. Elle a permis par ailleurs une quantification détaillée et précise des conditions d’écoulement sur ce type d’ouvrage par la réalisation d’essais expérimentaux sur des modèles physiques à grande échelle équipés d’une instrumentation de pointe. Elle a également conduit à la comparaison systématique des résultats fournis par des codes numériques aux résultats issus du laboratoire. Les résultats de l’étude, en cours de publication dans des journaux scientifiques, ont été exploités pour quantifier et justifier les opportunités d’exploitation sécuritaire des déversoirs standards au-delà de leur charge de dimensionnement ainsi que pour identifier et quantifier les effets de solutions d’optimisation des profils non-conformes, évitant ainsi de coûteux investissements pour augmenter la capacité d’évacuateurs de crue existants.
Partenaires industriels : Electricité de France (EDF), Centre d’Ingénierie Hydraulique (CIH)
