TD N°4 : RETABLISSEMENT D'ECOULEMENT NATUREL
ETUDE DE CAS DE DIMENSIONNEMENT D’UN OUVRAGE HYDRAULIQUE
Suite au calcul du débit d’apport du bassin versant naturel, on retient un débit de projet Q(100) de 7,40 m3/s pour dimensionner l’ouvrage hydraulique. La vérification des conditions d’écoulement est également réalisée pour un débit exceptionnel égal à 1,5 x Q(100) soit pour un débit de 11,10 m3/s. Dans le but d’évaluer les impacts sur la pérennité de l’infrastructure et la sécurité des riverains et des usagers. Il s’agit alors de déterminer l’ouvrage hydraulique et la hauteur d’eau amont associée (HAM) permettant de rétablir l’écoulement naturel au travers du remblai ainsi que la mise en place des dispositifs de protections nécessaires en tenant compte des éléments suivants :
Données géométriques du terrain à proximité du franchissement :
- Profil en long du ruisseau au droit du franchissement
- Profil en travers du ruisseau au droit du franchissement
Le profil en travers représentatif du ruisseau à l’aval du franchissement peut être assimilé à un trapèze (voir schéma joint). En fonction de la nature des parois constituées de terre enherbée, nous avons pris un coefficient de rugosité K = 25. La pente des talus est estimée à 1/1 (45 degrés) ce qui donne m = cotg 45° = 1. La pente actuelle du ruisseau en aval du franchissement est de 0,004 m/m soit 0,4%. Le niveau amont admissible a été fixé à la cote 179,75 NGA ce qui représente la limite de débordement du lit mineur. Le niveau amont admissible exceptionnel a été fixé à la cote 182,00 NGA. Ce niveau correspond au seuil des premières habitations et assure la mise hors eau de la structure de chaussée.
CHAPITRE IV. RETABLISSEMENT DES ECOULEMENTS NATURELS
Exemple de calcul
Évaluation du débit de projet Qp
Suite au calcul du débit d’apport du bassin versant naturel, on retient un débit de projet Qp = 7,40 m3/s, et un débit exceptionnel égal à 1,5 x Qp soit pour un débit de Qexceptionel = 11,10 m3/s.
Le dimensionnement
1. Le choix et le calage de l’ouvrage hydraulique
2. Contrôle des vitesses d’écoulement
3. Contrôle de la hauteur d’eau amont
4. Contrôle du tirant d’air
1. Le choix et le calage de l’ouvrage hydraulique
Le choix de l’ouvrage hydraulique dépend du débit et de la géométrie du cours d’eau.
Données géométriques du terrain à proximité du franchissement :
- Profil en long du ruisseau au droit du franchissement
- Profil en travers du ruisseau au droit du franchissement
Profil en travers représentatif du ruisseau assimilé à un trapèze.
K = 25 (parois en terre enherbée).
La pente actuelle du ruisseau en aval du franchissement est I = 0,004 m/m soit 0,4%.
Régime de l’écoulement à l’aval de l’ouvrage hydraulique.
Détermination de la hauteur d’eau normale hn.
Avec : Q = 7,4 m3/s, K = 25 (rugosité du lit du ruisseau), p = 0,004 m/m (pente du ruisseau en aval du franchissement), l = 3,80 m (largeur du fond de fossé) et m = cotg 45° = 1 (pente des parois).
hn = 1,12 m.
Détermination de la hauteur critique hc.
hc = 0,66 m.
hn = 1,12 > hc = 0,66, donc le régime d’écoulement est fluvial.
L’écoulement dans le ruisseau étant en régime fluvial, il faudra obligatoirement caler l’ouvrage hydraulique en régime fluvial.
Caractéristiques générales de l’ouvrage hydraulique.
Choix de l’ouvrage hydraulique (dalot) : 3 m de largeur et 2 m de hauteur.
Pour l’ouvrage choisi, on détermine la hauteur critique yc : yc = 0,86 m.
Détermination de la hauteur d’eau normale yn à donner à l’ouvrage hydraulique.
L’ouvrage devant fonctionner en régime fluvial, nous prendrons yn = 1,2 x yc.
yn = 1,2 x 0,86 = 1,032 m.
Calcul de la pente à donner à l’ouvrage hydraulique (coefficient de rugosité K = 70 (béton)).
On trouve I = 0,0022 m/m.
OUVRAGE Cours d’eau à l’aval.
yc yn I hc hn I
0,85 1,032 0,0022 0,66 1,12 0,004
Si hn > yn alors ye = hn.
Si hn < yn alors ye = yn.
ye est la hauteur d’eau à l’entrée de l’ouvrage.
Pour ce cas, ye = hn.
2. Contrôle des vitesses d’écoulement
Les vitesses doivent respecter les critères suivants vis-à-vis de la durabilité des ouvrages :
- Ouvrages en béton : Ve ≤ 4 m/s.
- Ouvrages métalliques : Ve ≤ 2,5 m/s.
Sm = hnaval x l = 1,12 x 3 m = 3,36 m2.
La vitesse d’écoulement V est égale à V = Q / Sm.
OK V < 4 m/s.
3. Calcul de la hauteur d’eau amont (HAM)
HAM = ye + 1 + (Ve^2 / 2g).
ye = hauteur d’eau à l’entrée et à l’intérieur immédiat de l’ouvrage hydraulique, en mètre.
Pour ce cas, ye = hn = 1,12 m.
Ke est pris égal à 0,5.
Ve = 2,20 m/s.
Ye = hn = 1,12 m.
La cote amont s’élève à 178,05 + 1,49 = 179,54 m. La cote admissible étant de 179,75 m NGA, l’ouvrage posé avec une pente de 0,22 % convient.
4. Tirant d’air (TA) de l’ouvrage hydraulique
Pour une ouverture > 2,00 m : TA de 0,50 à 1,50 m.
Pour une ouverture ≤ 2,00 m : à apprécier.
Le taux de remplissage de l’ouvrage hydraulique pour le débit de projet ne doit pas excéder 0,75.
TA = D - ye + 1.
D = 2 m.
Ham = 1,49 m.
ye = hn = 1,12 m.
TA = 0,7 m (doit être compris entre 0,5 m et 1,5 m).
Le taux de remplissage est de 0,65 (1,30/2,0) inférieur à 0,75 (ou 75 %).
TA = 0,7 m.
Vérification de l’ouvrage hydraulique pour un débit exceptionnel
Pour le débit exceptionnel égal à 1,5 x Qp = 11,10 m3/s, la démarche de calcul reste similaire.
Régime de l’écoulement à l’aval de l’ouvrage hydraulique :
- Hauteur d’eau normale : hn = 1,41 m.
- Hauteur d’eau critique : hc = 0,93 m.
hn = 1,41 > hc = 0,93, donc le régime d’écoulement est fluvial dans le ruisseau.
Régime de l’écoulement dans l’ouvrage hydraulique :
- Hauteur d’eau critique : yc = 1,13 m.
- Hauteur d’eau normale : yn = 1,40 m.
yn = 1,40 > yc = 1,13, donc le régime d’écoulement est fluvial dans l’ouvrage.
Vitesse de l’écoulement dans l’ouvrage hydraulique :
hn aval (1,41 m) étant supérieure à yn (1,40 m), donc ye = hn aval = 1,41 m.
- Section mouillée Sm : 4,23 m2.
- Vitesse de l’eau dans l’ouvrage : 2,63 m/s (< 4 m/s).
Calcul de la hauteur d’eau amont :
HAM = 1,41 + 0,53 m = 1,94 m.
La cote amont s’élève à 178,10 + 1,94 = 180,04 m.
Le niveau amont admissible exceptionnel fixé à la cote 182,00 NGA est respecté.
Le niveau (180,04 m) atteint correspond à un léger débordement du ruisseau qui reste acceptable.
Tirant d’air :
- Tirant d’air : 0,23 m.
- Taux de remplissage : 0,83.
Le taux de remplissage excède la valeur de 0,75 recommandée. Pour respecter cette valeur, il faut mettre en place un dalot de 2,30 m de hauteur.
FAQ
1. Qu'est-ce que le débit de projet Qp ?
Le débit de projet Qp est le débit d’eau retenu pour dimensionner l’ouvrage hydraulique, basé sur le calcul du débit d’apport du bassin versant naturel.
2. Pourquoi est-il important de vérifier les conditions d’écoulement pour un débit exceptionnel ?
Il est crucial de vérifier les conditions d’écoulement pour un débit exceptionnel afin d’évaluer les impacts sur la pérennité de l’infrastructure et la sécurité des riverains et des usagers.
3. Quels sont les critères de vitesse d’écoulement pour les ouvrages en béton et métalliques ?
Les critères de vitesse d’écoulement sont les suivants : pour les ouvrages en béton, Ve ≤ 4 m/s, et pour les ouvrages métalliques, Ve ≤ 2,5 m/s.
