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BURKINA FASO 1er CONGRES NATIONAL DES BARRAGES
ECONOMIE ET SECURITE DES DEVERSOIRS DU BURKINA FASO
Par F.Lemprire et J.P.Vigny (Hydrocoop France)
1 Introduction Le Burkina Faso a dj construit plus de mille
barrages d'irrigation. Il s'agit en gnral de rservoirs de 0.1 5 hm3
mais les barrages sont de faible hauteur et de grande longueur car
la rgion est en gnral assez plate. La profondeur moyenne des
rservoirs est souvent infrieure 2m et une partie importante du
stockage perdue par vaporation. Cependant les dbits de crues
prendre en compte sont notables, souvent suprieures 100m3/s vacus
gnralement par des seuils libres longs et relativement coteux pour
viter de rduire une profondeur de retenue prcieuse ou d'augmenter
beaucoup le volume du barrage. Des accidents graves et des ruptures
de barrages sont parfois intervenus, le plus souvent par submersion
lors dune crue. Lamlioration de la scurit (par augmentation des
capacits des vacuateurs et la prise en compte de dbits de crue plus
importants) et/ou laugmentation du stockage (par lvation du plan
deau) chaque fois que les apports des rivires le permettent, font
partie des objectifs majeurs concernant les ressources en eau du
Burkina Faso. Les contraintes budgtaires limitent malheureusement
les possibilits daction. Des rflexions rcentes sur les critres de
calcul et de dimensionnement des vacuateurs de crue (crue de
projet, crue de scurit, crue maximum probable) et des tudes ralises
sur des types nouveaux de dversoirs ou sur lamlioration de procds
anciens, ont mis en vidence quil tait possible de trouver des
solutions conomiques aux problmes poss et de permettre la
ralisation moindre cot des objectifs ci-dessus. En effet, si lon
veut bien considrer que la vritable scurit des barrages se rapporte
la crue de scurit (parfois prise gale la crue maximum probable) et
non pas la crue de projet, et que, pour des crues aussi
exceptionnelles trs faible probabilit, on peut admettre un niveau
de retenue plus lev que celui correspondant la crue de projet
(disparition de la revanche ) et ventuellement quelques dommages
pour autant quil ny ait pas rupture du barrage, il devient possible
doptimiser la mise en uvre de diverses solutions conomiques
nouvelles.
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2 Parmi ces solutions, sont prsentes ci-aprs celles qui
paraissent les mieux adaptes aux barrages de faible hauteur du
Burkina Faso, quil sagisse de barrages existants dont on veut
amliorer la scurit ou augmenter le volume de stockage, ou de
barrages nouveaux dont on veut optimiser le projet. Celles-ci
comprennent :
- Loptimisation de la crte des barrages. - Le dversement sur les
talus. - Laugmentation du dbit des seuils libres (seuils
labyrinthes). - Divers dispositifs fusibles.
Pour des barrages plus importants et lorsque la gestion du
niveau de la retenue est essentielle, il reste videmment possible,
sinon souhaitable, de combiner ces solutions avec un dversoir vann
si cela est financirement possible. Une telle combinaison prsente
lavantage, par rapport une solution entirement vanne, dtre moins
onreuse et dviter la rupture du barrage en cas de non
fonctionnement des vannes lors de larrive de la crue. 2
Optimisation de la crte des barrages La simple lvation du niveau de
la retenue derrire la crte du barrage augmente automatiquement la
charge hydraulique et donc le dbit du dversoir. Pour une
augmentation de niveau H et une longueur e de dversoir mesures en
mtres, le dbit dun seuil libre est augment denviron 3eH en m3/sec
Ceci peut se faire pour les barrages en remblais en raidissant les
pentes des talus dans leur partie haute et/ou en amliorant
limpermabilit de la crte et sa protection contre les vagues
(cailloux ou bton de protection contre lrosion et laffouillement).
Ceci peut galement se faire en ajoutant un parapet. Ces solutions
sont peu coteuses et ne demandent que des ressources locales
faciles mettre en uvre. Si lon nomme a le cot par mtre linaire pour
surlever de 1 m la crte dun barrage de longueur L , le cot total
est de aL et le cot par m3/sec daugmentation est de aL/3eH . Pour
beaucoup de barrages au Burkina Faso, la longueur du dversoir e est
comprise entre 1/5 et 1/10 de la longueur L du barrage. Si lon
considre une lvation possible de lordre de 0.50 m 1 m, le cot
daugmentation de dbit est de lordre de 2a 4a par m3/sec
supplmentaire. 3 Dversement sur les talus Il est possible de crer
un dversoir auxiliaire en abaissant les digues du barrage sur une
longueur approprie jusquau niveau de la crue de projet et en
protgeant le talus aval par un revtement en bton compact au rouleau
(BCR). On vacue ainsi lors des crues exceptionnelles la hauteur
deau correspondant la revanche. Revtement B.C.R. Figure 1 :
Revtement aval pour dversement sur talus
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3 4 Augmentation du dbit des seuils libres par des seuils
labyrinthes. 4 1 . Seuils labyrinthes traditionnels Il existe de
nombreux seuils labyrinthes travers le monde et leur fonctionnement
a donn satisfaction depuis de nombreuses annes. Ce sont en gnral
des murs verticaux assez minces en bton arm pousant en plan une
forme polygonale rgulire et symtrique, les alvoles dentre et de
sortie tant identiques. A courant A Vue en plan Coupe AA Figure 2 :
Labyrinthe traditionnel Avec des longueurs dveloppes de murs L
souvent de lordre de 4 fois la longueur W du dversoir (ratio
conventionnel N = L/W = 4), le dbit est souvent le double dun seuil
libre classique (profil Creager) et conduit des augmentation de
dbit de lordre de 5 m3/sec/ml pour des hauteurs de mur de 3 4 m.
Ces seuils sont faciles construire et ncessitent environ 1 m3 de
bton arm par m3/sec supplmentaire, ce qui reste conomique. Des
tudes sont actuellement menes et des essais sur modles rduits
raliss (universit de Biskra en Algrie, en collaboration avec
Hydrocoop) pour amliorer ce type de seuil, aussi bien en ce qui
concerne son rendement hydraulique, que sa facilit de construction
et que son cot (Murs parallles, alvoles ingales, remplissage
partiel des alvoles, entre deau profiles). Malheureusement, la
structure ncessite beaucoup de place et, de ce fait, ne peut pas,
par exemple, tre construite au sommet dun barrage poids. Elle
devient galement coteuse pour des trs grands dbits par suite de la
grande hauteur des murs et des efforts trs importants que ceux-ci
subissent sous la pousse de leau. 4 2 . Dversoirs en touches de
piano (P.K.Weirs). Pour pallier aux inconvnients rappels ci-dessus,
des tudes et des essais sur modles rduits ont t mens depuis 5 ans
sur un dispositif en labyrinthe permettant de rduire lencombrement,
de diminuer la hauteur des murs et damliorer le rendement
hydraulique. Les formes tudies ont conduit galement des conomies de
matriaux .
alvole dentre (amont)
alvole de sortie (aval)
courant
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4 Ce dispositif comprend soit deux porte--faux, lun lamont,
lautre laval, gnralement symtriques (P.K.Weir type A), ou un seul
porte--faux amont de plus grande longueur (P.K.Weir type B). Une
partie des radiers est incline et la forme en plan est
rectangulaire, do son aspect en touches de piano . P.K.W. type A
P.K.W type B Figure 3 : Les deux types de P.K.Weirs Les essais sur
modles rduits raliss dans diffrents pays (France, Algrie, Inde,
Chine, Vietnam) et coordonnes par Hydrocoop, les calculs de
structures et les valuations des quantits de matriaux qui en
rsultent, ont permis doptimiser des dispositions standards qui
semblent proches du meilleur compromis entre rendement hydraulique,
facilit de construction et cots. Ces dispositions comprennent
notamment des pentes de porte--faux comprises entre 2/1 et 3/2 et
une largeur des alvoles amont suprieure denviron 20% celle des
alvoles aval dans le cas des P.K.Weirs de type A. Les P.K.Weirs
sont principalement caractriss par leur hauteur H mesure
lintersection gomtrique des murs inclins (qui correspond donc la
hauteur libre maximum des murs verticaux voir figure 1). Pour des
hauteurs H moyennes (de lordre de 3 5 m), un ratio N = L/W compris
entre 4 et 6 semble un bon compromis. Pour des hauteurs H plus
faibles, on aura probablement intrt raliser des ratios N plus
importants : cest le cas de nombreux petits barrages au Burkina
Faso pour lesquels H resterait infrieur 1,50 m pour des dbits de
lordre 4 5 m3/sec/ml. Les figures 4 et 5 reprsentent des
dispositions standard pour des types A et B. On obtient une valeur
de 6 pour le ratio N en adoptant une largeur dalvole aval e = 8/11
H pour le type A et e = 0,6 H pour le type B. Figure 4 : P.K.Weir
Standard de type A
H
Coupe AA
Coupe BB
H
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5 Figure 5 : P.K.Weir standard de type B Les essais sur modles
physiques ont montr que, pour une charge hydraulique h comprise
entre 0,25H et 1,5H, le dbit spcifique dun P.K.Weir de type A est
proche de 4hH et celui dun P.K.Weir de type B proche de 4,5hH.
Compar au dbit spcifique dun seuil Creager traditionnel, celui-ci
est donc multipli par prs de 4 pour h = 0,25 H, par 3 pour h = 0,4
H, et par 2 pour h voisin de 0,8 H. Laugmentation du dbit spcifique
en m3/sec/ml est proche de 1,8 H 1,5 . La rduction de la hauteur de
la lame deau (qui permet daugmenter le stockage) est de prs de 0,5
H. Figure 6 : Essais sur modle rduit dun PKW type A Figure 7 :
Comparaison dun seuil Creager et dun P.K.W type A (H = 4m)
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6 Les P.K.Weirs peuvent tre raliss en bton arm ou en acier,
cette dernire solution tant limite des hauteurs H infrieures 2 ou 3
m pour des raisons pratiques et conomiques. Ils peuvent tre
construits sur place ou prfabriqus en totalit ou en partie. Des
schmas de prfabrication et des croquis avec dimensionnement
figurent dans les documents publis loccasion du vingt-deuxime
Congrs des Grands Barrages Barcelone 2006 Question 84 R 78. Pour
une solution bton arm, le volume de bton par mtre de dversoir type
A, varie de 0,6 0,4 H2 pour H compris entre 2 et 6 m. Pour une
solution acier, environ 700 x H kg dacier sont ncessaires. Avec 0,5
m3 de bton arm ou 250 kg dacier on peut augmenter le dbit dun seuil
classique denviron 1 m3/sec. Les P.K.Weirs peuvent tre galement
utiliss pour lamlioration de dversoirs existants. Dans ce cas, il
est ncessaire daraser la crte du dversoir comme indiqu sur la
figure 8. Avant arasement Aprs arasement Figure 8 : Remplacement
dun seuil Creager par un P.K.Weir type A Pour le cot denviron 1 m3
de bton arm, on peut modifier le seuil existant pour augmenter
soit le dbit d 1 m3/sec supplmentaire ; soit le stockage dun
volume supplmentaire V (en m3) gal environ S/3L , S tant la
surface du rservoir en m2 et L la longueur du rservoir en m.
Dans le cas des barrages du Burkina Faso stockant plus de 500.000
m3 le rapport S/L est de lordre de 10.000, et le cot de 1 m3 de
bton arm permet de gagner 2 5.000 m3 de stockage supplmentaire.
Une premire ralisation de P.K.Weir de type A est en cours
dachvement sur un barrage existant dElectricit de France (barrage
E.D.F. de Goulours, dans le sud ouest de la France). Figure 9 :
Cration dun dversoir additionnel sur le barrage de Goulours Cette
solution peut tre extrmement intressante pour de nombreux barrages
au Burkina Faso.
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7 5 Dispositifs fusibles divers Les dispositifs fusibles ont
pour principe de seffacer pour laisser passer les crues de faible
probabilit et sont en gnral dtriors, si non entrans par le courant,
et le plus souvent perdus. Les crues ordinaires peuvent dverser au
dessus deux ou passer par un autre dversoir. Pour limiter
lincidence des cots dus la rparation ou au remplacement des lments
endommags et la perte temporaire de stockage qui en rsulte, il est
en gnral raisonnable de prvoir le dpart des premiers lments pour
des crues de probabilit entre 1/100 et 1/1000 (le cas des
flashboards dcrits plus loin tant un peu diffrent). Des dispositifs
fusibles trs conomiques ont t utiliss depuis longtemps dans des
versions simplifies telles que les flashboards aux Etats-Unis et
les digues fusibles en Chine. Des solutions nouvelles plus fiables
et plus prcises ont t rcemment tudies, testes, et, pour certaines,
mises en oeuvre et utilises avec succs depuis une dizaine dannes. 5
1. Flashboards Des milliers de petits barrages aux Etats Unis ont
utilis des flashboards depuis plus de 100 ans. Il sagit de plaques
dresses verticalement contre des poteaux encastrs (et scells ou
non) dans un seuil en bton. Les plaques sont dmontes la main avant
la saison des crues ou bien les poteaux plient sous la pousse de
leau pour une hauteur de lame dversante donne. Les plaques sont en
gnral en bois et les poteaux sont des tubes mtalliques. Ceux-ci,
pour de trs faibles hauteurs, peuvent probablement tre remplacs par
de simples fers bton. Ce dispositif, valable pour de faibles
hauteurs, est trs conomique mais reste peu prcis et ncessite
quelques prcautions. On veillera par exemple ce que les plaques ne
soient mises en place qu la fin de la saison des crues et vrifier
que les poteaux nont pas t renforcs par les usagers et quils
pourront plier librement bien avant que leau natteigne la crte du
barrage. Il parait galement prudent de limiter leur hauteur environ
1/3 de la diffrence entre le niveau du seuil et celui de la crte du
barrage. Les flashboards sont bien adapts pour augmenter le
stockage des petits barrages dirrigation avec des lments de 0,50 m
ou 1 m de hauteur. On peut aussi envisager leur utilisation
provisoire dans lattente dune solution dfinitive plus prcise et
plus performante 5 2. Digues fusibles Utilises en Chine comme
vacuateurs de scurit pour des dbits parfois trs importants, leur
cot par m3/sec est rduit. Il semble que la grande longueur et le
site dimplantation de beaucoup de barrages au Burkina Faso pourrait
permettre lutilisation de digues fusibles l o les remblais
atteignent 2 3 m de hauteur. Il reste que ce dispositif, surtout
sil est mal ou peu entretenu, peut poser des problmes de prcision
et de fiabilit. En effet, au fil des annes, une certaine cohsion
peut apparatre progressivement dans les matriaux constitutifs de la
digue (sans parler de la vgtation qui peut pousser sur sa surface)
de sorte que la charge deau ncessaire pour entraner la rupture de
la digue tend augmenter, la digue devenant de moins en moins
fusible.
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8 5 3. Blocs fusibles Les blocs fusibles sont des lments massifs
en bton simplement poss les uns ct des autres sur le seuil dun
dversoir, auto stables jusqu ce que le niveau deau lamont atteigne
un certain niveau pour lequel ils basculent. Les lments (blocs)
poss sur un mme seuil ont la mme hauteur mais peuvent avoir des
paisseurs et donc des poids diffrents, de sorte quils basculent
pour des hauteurs deau diffrentes. Ce niveau peut tre prvu avec
prcision si la valeur de la sous-pression qui sexerce sous le bloc
est bien connue. Une faon simple de rsoudre ce problme est de
sassurer que la sous-pression est soit totale, soit inexistante.
Ceci peut se faire par la cration, sous chaque bloc, dun vide soit
ferm par un joint dtanchit laval et communicant avec lamont (sous-
pression totale) soit ferm par un joint dtanchit lamont et
communicant avec laval (sous- pression inexistante). Les blocs
peuvent tre prvus pour basculer avant dtre submergs. Ils sont alors
relativement hauts par rapport leur longueur ( hauteur H jusqu 2
fois la longueur L ) et la solution sans sous-pression permet de
leur garder une paisseur E rduite. Ils forment en quelque sorte une
crte fusible qui peut atteindre une hauteur importante et jouer le
rle dun dversoir de scurit. Les blocs peuvent au contraire tre
prvus pour tre submergs par une nappe deau h importante (jusqu 2
fois la hauteur H du bloc) avant de basculer. Ils sont alors
relativement longs et pais par rapport leur hauteur (L/H jusqu 10 ;
E/H jusqu 3) et peuvent prsenter un profilage lamont pour faciliter
lcoulement. La solution sous-pression totale , bien que consommant
plus de bton, parait plus intressante dans ce cas car elle donne
une meilleure prcision quant au niveau deau assurant le basculement
(les courbes reprsentatives du moment stabilisateur et du moment de
renversement se coupent avec un angle maximum). En outre, cette
solution nexige pas une grande prcision pour la position exacte du
joint dtanchit, celui-ci tant situ laval, c'est--dire proche de
laxe de rotation du bloc quand il bascule. Il convient simplement
de veiller une aration suffisante de la nappe, ce qui est facile
raliser. Ces blocs sont particulirement intressants pour
lamlioration des seuils libres (augmentation du dbit par
abaissement du seuil ou augmentation du stockage par relvement du
plan deau ou combinaison des deux ) et semblent trs bien adapts aux
nombreux petits barrage du Burkina Faso. Cette solution est donc
celle qui sera dveloppe ci-aprs. Bloc avec sous-pression Bloc sans
sous-pression et dversement avant basculement et basculement avant
dversement Figure 10 : Les deux types de blocs fusibles (On notera
les essais de murs sparateurs sur la photo de gauche).
joint bute
joint
bute
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9 Blocs fusibles permettant le dversement avant renversement
Pour sassurer que la sous-pression est totale, la partie infrieure
amont du bloc sera laisse ouverte. Les extrmits latrales pourront
rester galement ouvertes (quelques supports sont alors ncessaires
pour assurer la stabilit du bloc sur le seuil) ou tre fermes, crant
ainsi sous le bloc une chambre ferme sur trois cots et ouverte
lamont. Des dispositions doivent tre prises aux extrmits des blocs
pour viter que les irrgularits ou les dfauts de verticalit toujours
possibles lors de leur fabrication, nentranent des frottements
entre blocs ou entre un bloc et un mur sparateur lors du
basculement. Une solution possible consiste rduire lgrement la
longueur de la face aval du bloc pour donner celui-ci une forme
trapzodale. Coupe transversale Vue damont Vue de dessous Figure 11
: Bloc type Les blocs peuvent tre placs directement cte cte, mais
les nombreux essais sur modles raliss dans diffrents pays (France,
Algrie, Chine, Vietnam) et coordonns par Hydrocoop, ont montr
lintrt de placer un mur vertical mince entre deux blocs adjacents
lorsque ceux-ci ne sont pas dune longueur trs importante. Ces murs,
fixs dans le seuil, limitent linfluence de la dformation de la
nappe due au dpart dun bloc, sur les blocs adjacents et augmentent
ainsi la prcision du niveau de leau assurant le renversement des
blocs restants. Les essais ont galement montr que ces murs navaient
pas besoin davoir de grandes dimensions pour tre efficaces (voir
figure 12). 1,2 E E H Vue en lvation courant Dtail dun mur
sparateur L E 1,2 E Vue en plan Figure 12 : Disposition gnrale et
murs sparateurs
L H
murs sparateurs
murs sparateurs
butes
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10 Les calculs thoriques ne sont simples quavant dversement.
Aprs dversement, il est difficile de calculer lpaisseur exacte de
la nappe au dessus des blocs et la pression qui sexerce contre la
partie haute lamont des blocs ainsi que de prendre en compte les
effets dynamiques et les frottements de leau contre les blocs. Les
calculs thoriques ne permettent donc que de raliser des avant
projets et des essais (par ailleurs trs simples) de calibrage sur
modles rduits restent souhaitables pour prciser les paisseurs
assurant les renversements pour les hauteurs deau dsires. La figure
13 montre les courbes thoriques de stabilit. La lignes brise MV
reprsente le moment des forces verticales et la courbe MH le moment
des forces horizontales (les moments sont calculs par rapport la
bute aval) en fonction dune charge deau totale W lamont dun bloc
dpaisseur E et de hauteur H. Le renversement du bloc correspond au
point de rencontre de ces deux courbes. La ligne brise MV1 en
pointille correspond une paisseur de bloc augmente de 10 %. MV ou
MH renversement W O H Figure 13 : Diagramme de stabilit Les essais
sur modles ont montr la fiabilit du rapport entre lpaisseur E dun
bloc et lpaisseur de lame deau pour laquelle il bascule. Pour un
avant projet trs prliminaire, on peut utiliser la formule approche
suivante pour un bloc ayant la forme gnrale dcrite aux paragraphes
prcdents et une densit moyenne : h = E 0,4 H qui signifie quun bloc
dont lpaisseur est gale une fois et demie sa hauteur (E = 1,5 H)
bascule pour une paisseur de nappe peu prs gale sa hauteur (h = H).
Dans la plupart des cas, il faut environ 1 m3 de bloc de bton pour
augmenter le dbit de 1 m3/sec. Lutilisation de blocs fusibles la
place dun seuil classique permet la fois de rduire la quantit de
bton mettre en uvre et daccrotre la capacit de lvacuateur denviron
1 m3 /sec. Seuil classique bloc fusible Figure 14 : Comparaison dun
seuil classique et dun seuil quip de blocs fusibles La construction
des blocs peut tre ralise trs simplement, par exemple en coulant la
bton sur une couche de matriaux tout venant facile enlever aprs
coulage du bton,
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11 recouverte dune membrane plastique comme indiqu sur la figure
15. Si les extrmits latrales restent ouvertes, quelques supports
sont ncessaires pour assurer la stabilit du bloc. tout venant
bouchon argileux film plastique coulage du bton supports 1 2 3 4
Figure 15 : Exemple de phases de construction Ltanchit des joints
verticaux entre blocs ou entre blocs et murs sparateurs peut se
faire de faon classique, par exemple laide de feuilles de
caoutchouc encastres ou boulonnes dans le bloc. 5 4. Hausses
fusibles (Hydroplus) Ce sont aussi des lments poss les uns cot des
autres sur un seuil en bton, auto stables jusqu ce que le niveau de
la retenue atteigne un certain niveau et basculant lorsque ce
niveau est atteint. Elles autorisent des dversements importants au
dessus delles. Par contre, le basculement est command par la
cration soudaine dune sous pression importante la base de llment
lorsque le niveau prvu est atteint, celle-ci restant nulle et
llment trs stable tant que ce niveau nest pas atteint. Leur
prcision est donc suprieure. Ralises en bton arm ou en acier, de
forme droite ou labyrinthe, les hausses fusibles sont utilises avec
succs dans de nombreux pays depuis plus de 10 ans. Certaines se
sont dj renverses pour les niveaux deau prvus. Elles peuvent tre
utilises jusqu 100 m3/sec/m et sont particulirement intressantes
pour des dversoirs importants. De trs grands dversoirs ont t quips
de hausses fusibles (Etats Unis, Australie, Inde, etc..). Elles
sont bien plus conomiques que les vannes. Cependant, leur
utilisation pour les petits barrages du Burkina Faso semble
conomiquement difficilement envisageable. 6 Conclusion Il semble
possible daugmenter la capacit de stockage et la scurit de beaucoup
de barrages au Burkina Faso. Ceci peut se faire moindre cot et avec
des moyens essentiellement locaux en utilisant des solutions
simples et conomiques. Parmi celles-ci, deux solutions nouvelles
paraissent particulirement bien adaptes : Les seuils libres en
labyrinthe du type P.K.Weirs et les blocs fusibles dversants. Ces
deux solutions pourraient faire lobjet dune certaine
standardisation lchelle du pays et tre utilises pour des centaines
douvrages existants et la plupart des barrages futurs. Elles
peuvent sappliquer galement des ouvrages plus importants. Dans ce
but, il serait intressant de raliser Ouagadougou un petit canal
dessais hydrauliques (de lordre de 5 m de longueur et de 0,60 x
0,60 de section) pour vrifier le dbit des modles de labyrinthes et
le dbit des blocs fusibles avant basculement, et surtout pour
dmontrer aux utilisateurs et aux dcideurs, lintrt de ces solutions.
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