COURS BARRAGES pour la conception des barrages

Barrages
Cours inspiré du cours de Mehmet Özger, PhD
Associate Professor,
Department of Civl Engineering, I.T.U

Les réservoirs se classent en deux catégories :
1- Storage (conservation) [i.e., Atatürk dam]
2- Distribution (service) [for emergencies & fire fighting]
Caractéristiques physiques des réservoirs;
Fonction principale : stocker
Caractéristique la plus importante : « capacité de stockage »
 Type de matériaux de construction : béton, terre, enrochements.
 La forme : poids, voûte, contreforts.
 L usage et fonctionnement (Irrigation, eau potable, énergie, contrôle
des crues, loisirs.)
Les barrages se classent en fonction de :

Retenue
Corps du barrage Evacuateur de crue
Amont du barrage
Aval du barrage
Crète de l évacuateur de crue
Composantes essentielles d un barrage

LES BARRAGES EN BETON
L’avantage du béton est notamment d’autoriser l’édification d’ouvrages plus
résistants. Il en existe deux principaux types : - les barrages poids, - les
barrages voûte. S’y ajoutent les barrages à contrefort et à voûtes multiples,
variantes des deux premiers.
• Barrage poids Comme son nom l’indique, ce type de barrage oppose son
poids à l’eau pour la retenir. En fonction des propriétés de résistance du
matériau, la forme triangulaire à l’aval de l’ouvrage s’est peu à peu imposée.

Le barrage voute pourrait comparer sa forme à celle d’un pont
couché sur l’un de ses côtés, et qui chargerait de l’eau au lieu de
véhicules. L’effort de résistance est ainsi en partie reporté par l’arc
central sur les rives, permettant de construire des ouvrages moins
volumineux, à performance égale.
• Barrage voûte Le barrage voûte représente l’ultime
aboutissement de l’utilisation des propriétés du béton en
termes de résistance. Il permet des économies de volume
d’au moins 30 % par rapport à un barrage-poids.

• Barrages à contrefort et à voûte multiple sont des variantes
des deux premiers types.
Le barrage à contrefort est ainsi un barrage poids allégé de
l’intérieur.
Le barrage à voûtes multiples, quant à lui, repose sur des
appuis intermédiaires,

Elevation-Area-Volume Curves
To determine reservoir volume with given location & dam height
Typical reservoir elevation-area-volume curves
Zero Pool
Minimum Operating Level
Spillway Crest
Max. Operating Level
VOLUME (106
m3
)
ELEVATION
ABOVE
MEAN
SEA
LEVEL
(m)
Area
Volume

Courbe surface- altitude:
est obtenue en mesurant la surface comprise entre chaque
courbe de niveau du site à l’aide d’un planimètre.
 En général, une carte topographique au 1/5000 est
utilisée
Courbe altitude-volume :
est l'intégration de la courbe surface-altitude.
 Le volume entre deux altitudes se calcule par le produit de
la surface moyenne entre ces altitudes et leur différence.
Elevation-Area-Volume Curves

Composantes du stockage
a) Retenue Normale
b) Niveau minimum d’exploitation
c) Stockage utile (actif)
d) Tranche morte
e) Stockage pour la protection contre les crues
f) Stockage de surcharge

Zones de stockage dans un barrage
Tranche morte
Vidange de fond
Crète
évacuateur de
crue
Stockage utile
Niveau Minimum
Niveau normal de la retenue
Flow
Contrôle des crues
Cote plus hautes eaux
Surcharge storage
Accumulation des sédiments

Niveau normal d’exploitation est l'élévation maximale à
laquelle la surface du réservoir peut monter dans le cadre
d'une exploitation normale du réservoir.
Niveau minimum d’exploitation est l'élévation minimale
admissible à laquelle le niveau de la surface du réservoir peut
descendre.
Le stockage mort est situé en dessous du niveau minimum
du bassin. L'élévation maximale est déterminée par la
quantité de sédiments accumulés à la fin de la durée de vie
du réservoir
Zones de stockage dans un barrage

Critères généraux pour l’emplacement d’un réservoir :
• Coût du barrage
• Coût du foncier
• Conditions topographiques favorables au stockage
• Possibilité d’un réservoir profond
• Éviter les zones d’affluents
• Qualité de l’eau stockée
• Pentes stables

Débit garanti du barrage
• Débit : quantité d’eau que le réservoir peut délivrer sur un intervalle de
temps donné.
• Le rendement est base sur :
 Flux d´entrée
 Capacite du barrage
• Débit garanti (ou sûr): Quantité d'eau pouvant être fournie pendant une
période critique.
• Ne peut jamais être déterminé avec certitude

Choix de la capacité d’un réservoir de stockage
•Le dimensionnement implique
l'identification de la période critique
pendant laquelle l’entrée < demande

Recep YURTAL Ç.Ü., İnş.Müh.Böl.
Critère morphologique/topographique
 Rechercher des zones de dépression ou vallée
(zones naturellement encaissées) un rétrécissement
 Exploiter les documents cartographiques et études
antérieures
 Exploiter les photographies aériennes ou les images
satellitaires
 Faire une investigation sur le terrain
Critères de Choix du site d un barrage

Critère hydrologique/hydrographique
 Rechercher l’existence d’un cours d’eau alimenté ou drainé
par un bassin versant relativement important
 Faire des investigations cartographiques
 Etude préliminaire du bassin versant
 Collecte des Données hydrométriques et pluviométriques

Critère hydrologique/hydrographique
 Rechercher l’existence d’un cours d’eau alimenté ou
drainé par un bassin versant relativement important
 Faire des investigations cartographiques
 Etude préliminaire du bassin versant
 Collecte des Données hydrométriques et pluviométriques

Critère géologique/géotechnique
 Apprécier la qualité des matériaux (étanchéité) des sols de
la cuvette et du futur emplacement de la digue
 Assurer de la disponibilité en matériaux de construction de
bonne qualité

• On construit un barrage dans l'optique de disposer d'une une réserve d’eau visant à
satisfaire plusieurs besoins en eau.
• Ces besoins en eau sont de divers nature:
l'alimentation humaine
→les besoins agricoles
→les besoins pastoraux
→les besoins en production d'énergie hydro-électrique
→les besoins industriels etc.
• L'estimation de la capacité de la retenue prend en compte les différentes pertes en eau
de la retenue:
→ infiltration
→ évaporation et
→ la perte de capacité de la cuvette due aux dépôts solides
Les Besoins en eau

I. Estimation des besoins en eau
• L'estimation des besoins en eau nécessite la connaissance de plusieurs paramètres qui ne
sont pas toujours faciles à déterminer.
• Pour les besoins de l’alimentation humaine, du bétail ou de l’agriculture on utilise des
méthodes d’estimation.
• Actualisation de la population :
– Pn = P0 (1 + α)n
P0 : population en début de projet
Pn : population actualisée à l'horizon n années
α : Le taux d'accroissement de la population
Considérer la population située dans un rayon de 5 km autour du barrage.

I.1. Besoins pour l’alimentation en eau potable
• Les barrages ne sont pas les ouvrages les plus économiques pour alimenter les zones
rurales en eau de boisson.
• On pourra retenir les valeurs suivantes sauf si l'on dispose de données plus actuelles:
– Centres urbains 150 l/jour/habitant
– Centres secondaires 70 l/jour/habitant
– Centres ruraux 40 l/jour/habitant
15 l/jour/habitant est un minimum en zone rurale
• S'il y a d'autres points d'eau on doit rajuster les valeurs ci-dessus en se basant sur les
habitudes d'utilisation des différents points par les populations,

I.2. Besoins agricoles
• Les activités agricoles autour des barrages se subdivisent en deux catégories:
• La mise en valeur du pourtour de la cuvette en phase de décrue et
• l’irrigation des plaines par gravité ou par pompage.
• L’évaluation des besoins en eau des cultures prend en compte:
• les spéculations envisagées
• les surfaces des cultures
• l’infiltration et
• l’évapotranspiration potentielles (ETP)
• Le calcul de l’ETP peut se faire de plusieurs façons mais la formule de Penman
semble être la plus adaptée pour l’Afrique de l’Ouest et Centrale
• l'application de cette formule est souvent confrontée à l'insuffisance de donnée.
• Toutefois on pourra se servir les valeurs de l'ETP sur les atlas du CILSS et du CIEH.

Atlas pour le calcul de l’ETP (Cas de la RCA)

I.3. Besoins pastoraux
• On pourra utiliser les valeurs suivantes :
– Bovins ou UBT 30 à 40 l/ jour
– Petits ruminants 5 l/ jour
– Chameaux 100 l/ 5 jours
(1 UBT = 1 bœuf = 5 petits ruminants)
• Il est souvent difficile de quantifier les animaux concernés surtout en zone de
transhumance. Les animaux qui pâturent dans un rayon de 10km autour de la retenue
(soit 30 000 ha) sont susceptible de s'abreuver dans cette retenue
• Pour l'abreuvement du bétail il est nécessaire d'aménager des abreuvoirs pour ne pas
endommager le barrage et les installations connexes.

II. Estimation des pertes
• Les pertes sont souvent difficiles à quantifier, voir à remédier par traitement
• Les pertes peuvent être économiquement acceptables si elles ne mettent pas
en danger l’ouvrage
• Si le but du barrage est d'alimenter une nappe souterraine on tolèrera donc
un certain niveau d'infiltration
• On exprime généralement les pertes en termes de hauteur d'eau

II.1 Pertes par infiltration dans la cuvette
• On s’assure de la bonne imperméabilité du fond de la cuvette. En règle générale
il faut une épaisseur minimale de matériaux imperméables de 0,5m avec une
perméabilité < 10-6
m/s.
• L’infiltration diminue normalement avec le temps au fur et à mesure du dépôt
des argiles colloïdales. En phase d'études d'APS (Avant-Projet Sommaire) on
peut considérer les pertes par infiltration à une hauteur de 10% de la retenue
utile.
• Les valeurs de 1 à 3 mm/j peuvent être considérées comme l'ordre de
grandeur moyen des perméabilités

Quelques cas d’infiltration dans la cuvette
Cas d’un sol perméable en fond de cuvette sur une certaine épaisseur (facile
à détecter) :

Cas d’un affleurement d’une zone sableuse quelque part dans la cuvette et
qui communique avec l’aval

Cas d’un affleurement de la cuirasse quelque part dans la cuvette

II.2 Evaporation
• Les pertes par évaporation sont fonction
de la surface du plan d’eau. Les pertes par
évaporation dépendent des facteurs
suivants :
– la durée de l’ensoleillement,
– l’exposition au vent,
– le déficit de saturation de l’air,
– la présence ou non de végétation
aquatique,
– la profondeur de la retenue.
• Dans les régions sahéliennes les pertes
s'élèvent en moyenne à 2 mètres par an.
Evaporomètre de PICHE

II.2 Evaporation
• Les formules de calcul de l'évaporation
donnent des résultats incertains.
• En pratique on utilise les données des
évaporomètres les plus proches de la
retenue.
• On peut utiliser comme évaporomètres:
l'évaporomètre de PICHE ou le Bac
d'évaporation « Classe A ».
Bac d ’évaporation
« Classe A »

II.2 Evaporation
• Les valeurs obtenues par lecture sur le bac « classe A » doivent être affectées
d'un coefficient correcteur.
Coefficient correcteurs pour la lecture de l'évaporateur bac classe A:
• On peut également utiliser la Formule de POUYAUD établie au pas de temps
journalier l’évaporation au niveau de la retenue Eret
Eret=1,664 x (Ebac)0,602
avec Eret enmm/j et Eret enmm/j
Climat sahélien
et tropical sec
Climat tropical
Coefficient correcteurs pour la lecture
de l'évaporateur
bac « Classe A »
0,5 à 0,68 0,7 à 0,8

II.3 Pertes de capacité dues aux dépôts solides
• Les ruissellements sur les bassins versants entraînent des matériaux
solides qui se retrouvent progressivement dans la cuvette.
• Ce phénomène de transports solides est difficile à quantifier avec
précision.
• Les transports solides sont évalués à l'aide d'une grandeur appelée
dégradation spécifique exprimée en m3
/km2
/an.
• Il existe plusieurs formules qui permettent d'évaluer dégradation
spécifique dont nous verrons trois (3) dans la suite du cours.

II.3 Dépôts solides
III.3.1 Mécanisme de sédimentation dans un barrage

III.3.3 Formules de calcul de la dégradation spécifique
Formule de GOSTCHALK
Formule du CIEH-EIER (GRESILLON)
Formule de COLLET
Ve = volume de dépôts solides en m3
/an
D = dégradation spécifique annuelle en m3/km²/an
S = superficie du bassin versant en km²
Ve = volume de dépôts solides en m3
/an
D = dégradation spécifique annuelle en m3/km²/an
P = pluviométrie moyenne annuelle en mm
S = superficie du bassin versant en km²
V = volume de dépôts solides en m3/an
Q = débit moyen naturel en m3/s
I = pente en millièmes

III. Niveaux d'eau de la retenue
36
PHE: Niveau des plus hautes eaux exceptionnelles
RN: Niveau de retenue normale
La surface de la retenue et sa longueur sont généralement
déterminées a RN

37
Courbe de capacité de la retenue

38
Répartition des tranches d'eau dans la retenue

IV. Volume de la retenue – courbes Hauteurs – volumes- surfaces
A partir des cartes topo du site au 1/2000 ou au 1/5000 avec des courbes de
niveau mètre par mètre, on opère au planimétrage des surfaces des
différentes courbes de niveau en se refermant sur l’axe du barrage.
Les résultats obtenus permettent d’évaluer;
- le volume maximum de la retenue
- les relations hauteurs volumes de la retenue
On peut établir ainsi le rapport entre le volume de la réserve et la hauteur de
la digue pour différentes hauteurs possibles et différents sites possibles.

IV.1 Méthode de calcul des volumes d’eau stockés
• Méthode rapide ; assimilé à un cône de hauteur H1 et de surface S1
• Méthode plus rigoureuse : les surfaces S1, S2, S3, … Sn des plans d’eau
correspondants aux courbes de niveau distantes d’une hauteur h. En
partant du fond on pourra calculer les volumes d’eau de chaque tranche.
Vn, n+1 = [(Sn + Sn+1 )/2] * h
On établit un tableau qui donne la relation hauteur – volume nécessaire pour
une utilisation dans le temps (retenue)

Cotes Surface Hauteur Surf. moy. Volume
élémentaire
Volume cumulé
Cote fond 0 0 0 0 0
Cote fond + h S1 h S1 / 2 (S1 / 2) * h = V1 V1
Cote fond + 2h S2 h (S1 + S2)/ 2 (S1 + S2) * h/2 = V2 V1+V2
Cote fond + 3h S3 h (S2 + S3)/ 2 (S2 + S3) *h/2 = V3 V1+V2+V3
Cote fond + nh Sn h (Sn-1 + Sn)/ 2 (Sn-1 + Sn) *h/2 = Vn 
i
i
V
Calcul du volume de la retenue: méthode rigoureuse
  h
S
S
V n
n
n
n *
2
1
1
,




S4
S3
S2
S1
41

IV.2 Courbes Hauteurs-Volumes et Hauteurs-Surfaces
42

IV.3 Courbe d’utilisation de la retenue
• On la trace pour vérifier l’adéquation de la capacité de la retenue
avec les besoins en eau. Elle permet d'optimiser la gestion de la
retenue et le choix des spéculations culturales.
Cote de déversement
43

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