Aménagement hydraulique : conception d'un évacuateur de crue

Résumé du document

Ce rapport présente la conception d'un évacuateur de crue autonome pour un barrage situé à quelques kilomètres de la Baie d'Hudson, au Québec.
Le dimensionnement des différents éléments de l'évacuateur a été optimisé afin d'offrir le meilleur rapport entre la sécurité et l'économie, tout en se basant sur une analyse hydrologique régionale qui a permis d'établir un débit de crue de conception et ensuite une caractérisation de l'écoulement dans l'ouvrage.

La conception se base sur un débit de 129,1 m3/s pour une période de retour de 50 ans, et les éléments de la crête sont les suivants : une largeur de bassin évacuateur de 16m, une hauteur de conception de 2,74m et une hauteur de crête 0,80m.
L'entrée d'eau a une longueur et un rayon d'entrée de 5,5m. Des piliers épais de 0,9m présentent 2 ouvertures (vannes) d'une largeur de 7,55m, offrant une largeur effective de seuil de 14,68m. L'évacuateur a une pente de 19°, une hauteur de 32,64m pour une longueur de 94,78m. Le bassin de dissipation a pour sa part une longueur de 17,16m pour une hauteur de 6m, et content divers blocs de chute et de dissipation d'énergie. L'évacuateur se termine par un seuil terminal mesurant 0,57m de hauteur.

Extraits

[...] Nous avons donc : Pour calculer la hauteur d2 à la sortie de ressaut, nous utilisons alors l'équation du saut hydraulique (basée sur l'équation d'élan) : Avec le nombre de Froude : Puis, nous calculons : IV.4 Dimensionnement des différents éléments de notre évacuateur Longueur du parement Connaissant l'élévation de la crête et pouvant calculer l'élévation du radier, nous allons maintenant déterminer la longueur du parement de notre ouvrage : - Élévation de la crête = élévation de la surface de l'eau hauteur d'eau sur la crête : - Élévation du radier = élévation du fond de l'eau + hauteur normale hauteur à la sortie du ressaut : - Hauteur du parement : - Longueur du parement : Entraînement d'air et calcul de la hauteur des murs guideaux En haut de l'évacuateur, quand l'eau commence sa chute, l'écoulement est généralement laminaire. Lors de sa chute le long du parement aval, une couche turbulente se forme. De l'air est entraîné dans l'eau sous forme de bulles ce qui entraîne une augmentation de l'épaisseur de la couche. [...]

[...] On parle alors de white water en anglais. On peut en calculer l'épaisseur en utilisant la formule ci-dessous : avec : - x : longueur du parement à partir du début de la chute x = Lp - k : rugosité équivalente définie par Nikaradse. Pour le béton, k = 0,001. Pour qu'il y ait entraînement d'air, il faut que q > 0.25 m2/s. De plus, quand = on peut dire que c'est le début de l'entraînement d'air. [...]

[...] Dans ce cas-là, la pression sur la crête est nulle. Et nous devrons vérifier qu' en tout temps P > 2m, afin d'éviter l'apparition du phénomène de cavitation. En ce qui concerne l'entrée d'eau, elle doit être suffisamment longue et profilée afin d'éviter l'érosion des berges. Nous considérerons donc : Longueur d'entrée d'eau : Rayon d'entrée d'eau : D'autre part, les murs ailés ainsi que la mise en place d'un écran de protection en amont devront prévenir les risques d'infiltration d'eau trop importants sous l'ouvrage. [...]

[...] Afin de réduire les coûts de construction, un de nos principaux objectifs a été de réduire la largeur de notre évacuateur de crue W. Ceci nous a amené à considérer une hauteur d'eau de conception plus importante, et nous obtenons de cette manière un nombre de Froude assez élevé (environ égal à à la limite des valeurs acceptables 12). Notre évacuateur comporte donc trois parties, que sont la crête, le parement et le bassin dissipateur, qui ont été optimisés en s'intégrant aux caractéristiques du site (pente de l'évacuateur, qualité des fondations, etc.). [...]

[...] La topographie locale nous suggère que la pente de l'évacuateur soit de 19 degrés bâtie sur un sol ayant un angle de friction de 37 degrés. Faites la conception d'un évacuateur de crue autonome (Figure 2-11 de Smith) y incluant tous les détails. Quelle est la charge (ΔH) dissipée sur la dalle de l'évacuateur ? Quel est le taux de dissipation d'énergie (ΔPuissance) dans le ressaut hydraulique ? Annexe 2 Détails de calculs du débit de conception Afin de déterminer le débit de conception de notre évacuateur de crue, nous avons utilisé la méthode d'analyse régionale présentée dans le manuel Hydrologie (Anctil, 2008). [...]