Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2(~77~2
]
,
La présente invention concerne un évacuateur de crues
exceptionnelles pour barrages et ouvrages similaires du type
comprenant deux dispositifs d'évacuation de crues, l'un des
deux dispositifs étant constitué par un seuil déversant dont
la crete est située à un premier niveau prédéterminé plus
bas qu'un second niveau prédéterminé correspondant à un
niveau ~xim~l OU niveau des plus hautes eaux pour lequel le
barrage est conçu, la différence desdits premier et second
niveaux correspondant à un débit m~xim~l prédéterminé d'une
crue exceptionnelle, et une hausse mobile obturant ledit
seuil.
L'état actuel de la pratique de la conception et de la
construction des barrages conduit à dimensionner leurs
ouvrages d'évacuation des eaux pour des conditions de crue
importantes (millénale ou décamillénale par exemple). Par
conséquent, la plupart du temps, seule une très faible
partie des capacités d~évacuation desdits ouvrages est
utilisée. De plus, il est connu de régler les débits évacués
par le seuil déversant à l'aide de vannes, notamment pour
20 augmenter la capacité de retenue ou d'écrètement des crues
du barrage.
Dans ces conditions, il est clair que lesdites vannes
doivent obturer la totalité du seuil déversant, mais que la
plupart d'entre-elles pourraient rester fermées de façon
quasi permanente en l'absence de crues exceptionnelles et ne
s'ouvrir que tous les 20 ou 50 ans par exemple. Dans le cas
où l'autre dispositif d'évacuation permet l'évacuation des
crues les plus fréquentes (comme par exemple des évacuateurs
de fond, de demi fond ou de surface, vannés ou non, ou la
prise d'eau d'une usine hydroélectrique, ou tout autre
dispositif d'évacuation des eaux), il est également clair
que la totalité desdites vannes pourraient rester fermées de
façon quasi permanente.
Par ailleurs, la non ouverture des vannes, quelle que
soit leur nature, reste une cause importante de rupture de
barrages. Ces vannes présentent donc l'inconvénient d'une
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,.
moins bonne sécurité de fonctionnement que les seuils libres
déversants; de plus elles sont chères.
Divers dispositifs économiques ont été proposés et
existent déjà pour obturer un seuil déversant libre tels que
des sacs de sable ou des batardeaux (également appelés
Flashboards) ou d'autres dispositifs d'obturation semblables
qui nécessitent une intervention humaine préalable à chaque
crue et présentent donc un alea de fonctionnement important.
Il existe également, sur certains grands barrages en
0 remblais, une section de digue fusible, arasée à une cote
inférieure à celle du reste de l'ouvrage et fonctionnant
suivant le principe de l'~rosion de ses matériaux
constitutifs, érosion qui est engendrée par une montée
extrême du niveau de la retenue lors d'une crue d'importance
très exceptionnelle. Cette digue fusible a en fait pour but
d'éviter le déversement incontrôlé et catastrophique d'une
crue extrême sur l'ensemble d'un ouvrage, en concentrant les
effets de la crue sur une section spécialement aménagée pour
se rompre par érosion et offrir ainsi une capacité
d'évacuation supplémentaire. Après la rupture de la digue
fusible, des travaux de réparation importants seraient
nécessaires pour permettre à nouveau l'exploitation normale
de l'ouvrage. D'autre part, l'ouverture d'une digue fusible
peut conduire à une augmentation trop rapide du débit en
aval.
On connaît par ailleurs les hausses fusibles telles que
décrites dans les demandes de brevets
a u Canada N 2 032 Z75-6 et N 2 032 258-6
respectivement déposées le 14.12.90 et le 14.12.90 et
intitulées toutes deux "Déversoir évacuateur de crues pour
barrages et ouvrages similaires~. Ces hausses présentent
l'avantage de permettre l'obturation du seuil pour un faible
coût. Toutefois, dans la mesure où elles sont dimensionnées
pour évacuer les crues de faible ou moyen débit, elles
doivent avoir une hauteur plus faible que le niveau des plus
hautes eaux.
3 2~57772
Le problème que la présente invention cherche à
résoudre est d'obturer de fa~on quasi-permanente, pour un
coût très inférieur à celui des vannes et sur une hauteur
plus élevée qu'auparavant, tout ou partie d~un seuil
déversant libre tout en permettant, de façon totalement
fiable, l'évacuation des crues exceptionnelles, sans
intervention extérieure et sans modification majeure de
l'ouvrage. La présente invention constitue donc un substitut
économique à la fraction des vannes destinée uniquement à
évacuer les crues les moins fréquentes.
A la connaissance de la demanderesse, il semble donc
qu'aucun dispositif existant ne réponde de manière
satisfaisante aux objectifs indiqués plus haut, avec une
exploitation simple et pour un coût d'investissement modéré.
Selon la présente invention, le problème susmentionné
est résolu par le fait que la hausse comprend au moins un
élément de hausse rigide et massif, qui est posé sur la
crête du seuil déversant et est maintenu en place sur celui-
ci par gravité, ledit élément de hausse ayant une hauteur
prédéterminée au moins égale à la différence des premiers et
seconds niveaux prédéterminés et étant dimensionné en taille
et en poids pour que le moment des forces appliquées par
l'eau à l'élément de hausse atteigne le moment des forces de
pesanteur qui tendent à maintenir l'élément de hausse en
place sur le seuil déversant, et qu'en conséquence ledit
élément de hausse soit déséquilibré lorsque l'eau atteint un
troisième niveau prédéterminé au plus égal au second niveau
prédéterminé.
Dans ces conditions, il est clair que tout ou partie du
seuil déversant peut être obturé par les éléments de hausse.
Le ou les éléments de hausse peuvent être fabriqués à un
coût modéré par rapport aux vannes et, dans le cas ou ils
sont installés sur le seuil d'un barrage existant, cette
installation, éventuellement jointe à l'installation des
vannes, peut être faite sans qu'il soit apporté de
modifications majeures au seuil déversant du barrage, comme
2~7772
.
on le verra plus loin. Il est également clair que pour des
crues d'importance moyenne, tant que le niveau de l'eau
n'atteint pas ledit troisième niveau prédéterminé, lequel
peut être déterminé en pratique de façon à être égal ou
l~gèrement plus bas que ledit second niveau prédéterminé,
c'est à dire le niveau des plus hautes eaux, l'eau pourra
être évacuée par les vannes ou autres dispositifs
dimensionnés pour les débits les plus courants, sans qu'il
en résulte une destruction de la hausse et, par suite, sans
que le déversoir cesse d'être obturé par ladite hausse. En
revanche, dans le cas d'une crue exceptionnelle, le niveau
de l'eau atteint le troisième niveau prédéterminé, un ou des
éléments de hausse sont automatiquement déséquilibrés et
chassés par l'eau sous la seule action des forces de l'eau,
donc sans qu'une intervention extérieure soit nécessaire,
redonnant ainsi au seuil sa pleine capacité d'évacuation.
Bien que, théoriquement, cela ne soit pas absolument
indispensable, une butée de hauteur prédéterminée est de
préférence prévue sur le seuil déversant au pied de
l'élément de hausse, du côté aval de celui-ci, pour
l'empêcher de glisser vers l'aval sur le seuil, sans
toutefois l'empêcher de basculer par-dessus la butée quand
le niveau atteint ledit troisième niveau prédéterminé. Bien
entendu, dans ce cas, la hauteur de la butée est prise en
compte comme on le verra plus loin pour le dimensionnement
en taille et en poids du ou des éléments de hausse.
Un joint d'étanchéité peut être disposé entre le seuil
déversant et la base de l'élément de hausse, près du bord
amont de ladite base. Toutefois, un tel joint d'étanchéité
n'est pas absolument indispensable si, en l'absence de joint
d'étanchéité, les fuites d'eau entre l'élément de hausse et
le seuil déversant sont faibles et si la zone du seuil
d~versant sur laquelle repose le ou lesdits éléments de
hausse est convenablement drainée de telle façon qu'aucune
sous-pression appréciable ne puisse s'établir sous le ou
lesdits éléments de hausse. Par contre, comme on le verra
2~5~7~2
-
plus loin, des moyens peuvent être prévus pour établir
automatiquement une sous-pression sous le ou lesdits
éléments de hausse quand le niveau d'eau atteint ledit
troisième niveau prédéterminé, afin de favoriser le
déséquilibre et le basculement dudit ou desdits éléments de
hausse au moment où cela devient indispensable pour évacuer
une crue exceptionnelle.
L'invention peut être appliquée aussi bien au déversoir
d'un barrage existant qu'à celui d'un barrage en cours de
construction. Dans le premier cas, la crête du seuil
déversant peut être dérasée à un niveau plus bas que ledit
premier niveau prédéterminé et le ou lesdits éléments de
hausse sont posés sur le seuil dérasé et l'obturent. On peut
ainsi obtenir une sécurité plus grande qu'avec le seuil
déversant non dérasé, étant donné que l'ouverture qui est
obtenue après basculement du ou des éléments de hausse a une
hauteur plus grande que dans le cas d'un seuil déversant non
dérasé, permettant ainsi d'évacuer un débit de crue plus
important que le débit maximal de la crue exceptionnelle
pour laquelle le barrage avait été initialement conc~u.
De même, dans la conception d'un nouveau barrage, on
pourra adopter une plus grande différence entre les premiers
et seconds niveaux prédéterminés (ce qui contribue à
augmenter la sécurité, ou à débit maximal égal, à diminuer
le coût d'ouvrages tels que les coursiers) sans craindre que
cela empèche la maîtrise des débits sortant du barrage,
grâce à l'utilisation conjointe de dispositifs évacuant les
débits les plus courants et d'un ou plusieurs éléments de
hausse conformes à la présente invention.
Dans ces deux cas, le choix de la différence entre les
premiers et seconds niveaux predéterminés résultera d'une
optimisation entre augmentation de la sécurité, diminution
du coût des ouvrages et augmentation éventuelle du cout des
vannes situées sur le déversoir.
Dans le cas où plusieurs éléments de hausse sont
prévus, chaque élément de hausse ou un groupe d'éléments de
- 6 2~77~2
.
hausse peut être dimensionné de façon à basculer pour un
niveau d'eau prédéterminé plus bas que celui auquel un autre
élément ou groupe d'éléments de hausse basculera, ce dernier
étant lui-même dimensionné de fa~con à basculer pour un
niveau d'eau plus bas que celui auquel basculera un
troisième élément ou groupe d'éléments de hausse, et ainsi
de suite. De cette manière, on obtient, si nécessaire, une
augmentation progressive de la capacité d'évacuation suivant
l'importance de la crue.
On notera également que, si un ou plusieurs éléments de
hausse ont été basculés et chassés par une crue
exceptionnelle, ils peuvent être facilement et
économiquement remplacés par d'autres éléments de hausse,
sans avoir à effectuer des réparations importantes, après
que la crue a été évacuée.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au
cours de la description qui va suivre de diverses formes
d'exécution de la présente invention données à titre
d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective montrant un
ouvrage auquel l'invention peut être appliquée, tel qu'un
barrage, son déversoir évacuateur de crues exceptionnelles à
seuil déversant libre et un autre déversoir destiné à
l'évacuation des crues courantes et muni de vannes.
La figure 2 est une vue en perspective montrant un
ouvrage auquel l'invention peut être appliquée, tel qu'un
barrage, son déversoir évacuateur de crues exceptionnelles à
seuil déversant libre et un autre dispositif d'évacuation
des eaux tel qu'un évacuateur de fond, vanné ou pas, ou une
usine hydroélectrique.
La figure 3a est une vue en élévation du déversoir
évacuateur de crues exceptionnelles de la figure 1 ou 2, du
côté aval et équipé d'une hausse fusible conforme à la
présente invention.
La figure 3b est une vue en plan du déversoir de la
figure 3a.
2~7772
_ 7
La figure 3c est une vue en élévation d'un autre
déversoir équipé d'une hausse fusible conforme a la présente
invention.
Les figures 4a et 4b sont des vues en coupe verticale
expliquant le fonctionnement de la hausse fusible.
La igure 5 est un graphique montrant les différentes
forces qui, en service peuvent etre appliquées à un élément
de hausse conforme à la présente invention.
La figure 6 est un graphique représentant les
variations des moments des forces motrices et résistantes en
fonction de la hauteur d'eau au-dessus du seuil déversant.
La figure 7 est une vue en coupe verticale montrant un
élément de hausse de la présente invention, auquel est
associé un dispositif déclencheur de basculement.
I5 La figure 8 est une vue en plan d'un déversoir muni
d'un autre dispositif déclencheur de basculement.
Les figures 9a à 9c montrent en perspective diverses
formes d'exécution d'un ~lément de hausse conforme à la
présente invention.
Les figures 10 et 11 montrent en coupe verticale deux
autres variantes de réalisation de l'élément de hausse de
l'invention.
La figure 12 est une vue en perspective montrant deux
éléments adjacents de hausse selon une autre forme de
réalisation de l'invention.
La figure 13 est une vue en coupe verticale d'un des
éléments de hausse de la figure 12.
Les figures 14 et 15 sont des vues de l'élément de
hausse respectivement suivant les flèches F et G de la
figure 13.
Les figures 16a et 16b montrent ~ plus grande échelle
et en coupe, un détail de l'élément de hausse de la figure
13.
La figure 17 est une figure semblable à la figure 13 et
montre une variante de réalisation.
La figure 18 est une vue en plan d'une partie du seuil
2057772
du déversoir dans le cas de la variante de la figure 17 et
avant mise en place des éléments de hausse.
L'ouvrage 1 représenté dans la figure 1 et dans la
figure 2 peut être un barrage en remblais ou un barrage en
béton ou maçonnerie. Toutefois il y a lieu de noter que
l'invention n'est pas limitée au type de barrage montréldans
la figure 1 ou dans la figure 2, mais qu'au contraire elle
peut s'appliquer à n'importe quel type de barrage connu doté
d'un seuil déversant libre.
Dans les figures 1 et 2 le numéro de référence 2
désigne la crête du barrage, le numéro 3 son parement aval,
le numéro 4 son parement amont, le numéro 5 un déversoir
évacuateur de crues, le numéro 6 le seuil du déversoir 5, le
numéro de référence 7 désigne d'une manière générale un
dispositif d'évacuation des crues courantes. Le déversoir 5
peut être implanté dans la partie centrale du barrage 1 ou
en extrémité de celui-ci ou encore excavé sur une rive sans
que cela n'altère la possibilité d'utilisation de
l'invention. Dans la figure 2, le dispositif d'évacuation 7
est un dispositif classique d'évacuation des eaux de fond.
Dans la figure 1, le dispositif d'évacuation 7 est un seuil
déversant équipé de vannes de surface classiques. Cepend~nt,
il va de soi que le dispositif 7 pourrait être constitué par
tout autre dispositif d'évacuation des crues connu sans que
cela n'altère la possibilité d'utilisation de l'invention.
Dans un ouvrage du type de ceux auxquels s'applique
l'invention, le niveau de la retenue en l'absence de crue
est toujours inférieur ou égal au niveau RN de la crête 8 du
déversoir 6. Le niveau de la retenue en cas de crue est
toujours inférieur ou égal à RM ou niveau des plus hautes
eaux (PHE).
La présente invention permet de façon quasi permanente
d'obturer le déversoir 6. A cet effet, l'invention prévoit
de disposer sur le seuil déversant 6 une hausse 10
constituée par au moins un élément massif 11, par exemple
cinq éléments lla - lle comme montré dans les figures 3a et
- 9 2~7~2
3b, ladite hausse 10 ou les éléments ll étant rendus
fusibles par basculement pour une charge d~eau prédéterminée
correspondant à un niveau N au plus égal au niveau m~xim~l
RM et permettant alors le passage des plus fortes crues.
Bien entendu, le nombre des éléments de hausse 11 n'est
pas limité à cinq éléments comme montré dans les figures 3a
et 3b, mais peut être plus petit ou plus grand selon la
longueur du déversoir 5 (mesurée dans le sens longitudinal
du barrage). De préférence, le nombre des éléments de hausse
ll est choisi de facon à obtenir des masses unitaires
faibles permettant une mise en place et un remplacement aisé
desdits éléments de hausse.
Chaque élément de hausse ll a une hauteur Hl supérieure
à RM, est posé sur le seuil déversant 6 et est maintenu sur
celui-ci par gravité. De préférence, chaque élément de
hausse 11 est retenu contre tout glissement vers l'aval, par
une butée 12 située au pied de l'élément 11, du côté aval de
celui-ci. La butée 12 peut être par exemple encastrée dans
le seuil 6, comme montré par exemple dans la figure 4a, et
elle peut être discontinue comme montré dans les figures 3a
et 3b. Toutefois, si on le désire, la butée 12 pourrait être
continue. Comme on le verra plus loin, la hauteur de la
butée 12 est prédéterminée, mais elle peut être variable
suivant les efforts en jeu et suivant le niveau d'eau à
partir duquel on souhaite amorcer le basculement de chaque
élément de hausse 11.
Comme montré dans la figure 3b, un joint d'étanchéité
classique 13, par exemple en caoutchouc, est prévu à chacune
des deux extrémités de la hausse lO entre celle-ci et les
flancs latéraux 14 du déversoir 5. Quand la hausse 10 est
constituée par plusieurs él~ments 11, des joints
d'étanchéité 13 sont également prévus entre les parois
latérales verticales, deux à deux en vis à vis, des éléments
adjacents de hausse 11 comme cela est également visible dans
la figure 3b. De préférence un joint d'étanchéité 15 est
aussi prévu entre le seuil déversant 6 et la base des
~ lo 20577~2
éléments de hausse 11 près du bord amont 16 de ladite base
comme cela est par exemple visible dans les figures 4a et
4b. Comme montré dans la figure 3b, les joints 13 et le
joint 15, lorsque ce dernier est prévu, sont disposés dans
S un même plan vertical. Au lieu de prévoir le joint 15 ou en
plus de celui-ci, un système de drainage peut être aménagé
de façon continue dans le seuil déversant 6, dans la zone de
celui-ci sous-jacente à la hausse 10, afin d'assècher cette
zone et d'éviter que, en service normal, une sous-pression
ne soit appliquée aux éléments de hausse 11.
Comme montré dans la figure 3c, dans le cas où un
barrage comporterait comme seul dispositif d'évacuation des
crues un seuil déversant libre, on peut envisager d'équiper
une partie seulement de ce seuil d'une ou plusieurs vannes V
et la partie restante d'une hausse fusible 10 conforme à
l'invention. On obtient ainsi un barrage conforme à
l'invention à l'unique seuil déversant 6 duquel sont
associés deux dispositifs d'évacuation, l'un (7) équipé d'au
moins une vanne V pour l'évacuation des crues courantes,
l'autre équipé de la hausse fusible 10 pour l'évacuation des
crues exceptionnelles.
Comme cela sera expliqué plus loin chaque élément de
hausse 11 est dimensionné de manière à être autostable pour
une charge d'eau inférieure à un niveau prédéterminé N, lui-
25 même au plus égal au niveau mAX;mAl RM des plus hautes eauxadmissibles dans le barrage. Ainsi en supposant par exemple
que ledit niveau prédéterminé est égal au niveau RM, tant
que le niveau de 1'eau reste inférieur au niveau RM pour des
crues de faible ou moyenne importance l'eau est retenue par
30 les hausses comme montré figure 4a sans que la hausse ne
soit d~truite.
Par contre, si le niveau de l'eau atteint, dans
l'hypothèse susmentionnée, un niveau prédéterminé N égal ou
légèrement plus bas que le niveau m~ X i m~ 1 RM dans le cas
35 d'une forte crue ou crue exceptionnelle ou d'une avarie dans
le fonctionnement du dispositif 7, au moins un élément 11 de
11 2S~772
la hausse 10 est déséquilibré sous la poussée de l'eau et
bascule autour de la butée 12 comme montré dans la figure 4b
et le ou les éléments 11 qui sont basculés sont évacués par
- l'eau de la crue au moins jusqu'au pied du déversoir 5,
permettant ainsi l'évacuation des crues les plus fortes.
Après évacuation d'une forte crue ayant entrainé le
basculement de la hausse 10, le niveau de l'eau revient au
niveau de la retenue normale RN ou à un niveau plus bas
encore. On peut éventuellement prévoir quelques éléments 11
de rechange, disponibles en permanence sur le site du
barrage, pour permettre une réparation de la hausse 10 en
cas de besoin. Il faut cependant noter que le non
remplacement d'un ou plusieurs él~ments 11, après une crue
exceptionnelle ou une avarie dans le fonctionnement du
dispositif 7 ayant entrainé le basculement d'au moins un
élément 11, ne diminue pas la sécurité de fonctionnement de
l'ouvrage.
On donnera maintenant un exemple numérique de
dimensionnement d'une hausse fusible conforme à la présente
invention. Habituellement, les barrages et les seuils
déversants sont dimensionnés pour que le niveau du lac
(niveau de la retenue) atteigne le niveau mAX;m~l RM pour la
crue exceptionnelle envisagée (crue de projet). Cette crue
peut être par exemple la crue ne se produisant qu'une année
sur mille (crue millénale).
Pour fixer les idées, on supposera que le débit de
cette crue de projet est par exemple de 900 m3/s, que le
débit maximum atteint en moyenne sur 50 ans, beaucoup plus
faible que celui de la crue de projet est de 100 m3/s, que
le seuil déversant libre 6 sur lequel est posé la hausse 10
a une longueur de 40 m et que le dispositif 7 a une capacité
d'évacuation de 100 m3/s.
Dans ces conditions, la hauteur H de la lame d'eau
nécessaire pour évacuer le débit de la fraction de la crue
de projet que n'évacue pas le dispositif 7 correspond à 20
m3/s par mètre linéaire de seuil. Cette hauteur H peut être
2~)57772
12
,
calculée par la formule suivante :
Q = 1,8 H3/2
d'après laquelle on peut voir que H est sensiblement égal à
S m dans l'hypothèse faite plus haut. Toujours dans cette
hypothèse, le niveau du seuil 6 du déversoir 5 est arasé à 5
m en dessous du niveau maximal RM pour permettre
l'évacuation de la crue millénale. On peut alors équiper le
seuil 6 de hausses conformes à la présente invention, dont
la hauteur est supérieure ou égale à 5 m.
Le basculement du ou des éléments de hausse 11 et, par
suite, leur destruction dépend de l'équilibre entre, d'une
part, le moment moteur, c'est à dire le moment des forces
qui tendent à renverser l'élément de hausse considéré, et,
d'autre part, le moment r~sistant, c'est à dire le moment
IS des forces qui tendent à stabiliser ledit élément de hausse.
Si on ne prévoit pas un dispositif déclencheur directement
li~ au niveau d'eau, pour déclencher le basculement de
l'élément de hausse avec précision pour un niveau d'eau
prédéterminé, la hauteur d'eau correspondant à l'équilibre
susmentionné ne peut être fixée qu'avec une marge
d'incertitude pouvant atteindre 0,2 m. Dans ces conditions,
il est nécessaire, par sécurité, de réduire la hauteur de
basculement du ou des éléments de hausse 11 d'une quantité
correspondant à cette marge d'incertitude, par exemple 0,2m.
Toutefois, on peut diminuer cette incertitude en prévoyant
un dispositif déclencheur qui sera décrit plus loin en
faisant référence à la figure 7.
La figure 5 montre les différentes forces qui, en
service, peuvent etre appliquées à un élément de hausse 11
de la présente invention. Pour la description qui va suivre
on supposera que l'élément 11 a une forme parallélépipédique
et a une largeur L et une hauteur Hl. Dans la figure 5, B
désigne la hauteur de la butée 12 au-dessus du seuil 6, et z
désigne le niveau de l'eau. Les forces motrices qui tendent
20~i7772
_ 13
à faire basculer l'élément de hausse 11 sont la poussé P de
l~eau sur la face amont de l'élément de hausse 11 et la
sous-pression U qui s'exerce éventuellement sur la surface
de base dudit élément de hausse et qui est due à l'existence
de fuites éventuelles aux joints d'étanchéité ou à la
présence d'un dispositif déclencheur qui sera décrit plus
loin. La force résistante qui tend à stabiliser l'élément de
hausse 11 est son poids propre W.
Pour calculer les valeurs de P, U et W ainsi que les
valeurs des moments moteur et résistant correspondants par
rapport à la butée 12, il y a lieu de considérer deux cas en
fonction de la hauteur d'eau z au-dessus du seuil 6. Les
valeurs P, U et W et des moments moteur et résistant
correspondants sont résumées ci-dessous pour les différents
cas, lesdites valeurs étant données par unité de longueur de
l'élément de hausse 11.
a/ si : 0 < z < 3 B :
p 1 ~ z2 (2)
U = 1 . ~. . z . L (3)
W = Yb H1 L
Mm = o
MmU =1 ~ z. L2 (6)
Mr = 1 ~b- H1 L2 + 1 . ~.z2 . (B - z) (7)
2 2 3
b/ si : 3 B < z < H1
P = 1 . ~ . z2 (8)
2~7772
_. 14
U = 1 . y~ . z . L (9)
W = ~ . Hl . L (10)
Mm = 1 . ~ z2 (z - B) (11)
2 3
MmU =Mm + 1 . ~ . z . L2 (12)
Mr = 1 . ~ . Hl . L2 (13)
Dans les formules sus-indiquées, P, U, W, L, Hl, B et z
ont les significations déjà indiquées plus haut. Mm est le
moment moteur en l'absence de sous-pression U, MmU est le
moment moteur en présence d'une sous-pression U, ~ est le
poids volumique de l'eau et ~b est le poids volumique moyen
de l'~lément de hausse, et Mr est le moment résistant.
Dans le graphique de la figure 6, les tracés A, C et D
représentent respectivement les variations de Mr, Mm et MmU
en fonction de la hauteur d'eau z au-dessus du seuil 6. Les
tracés A, C et D ont été obtenus à partir des formules
indiquées plus haut et pour H1 = 5m, L = 2,6m, B = 0,15m,
. = 10 kNm~3 et ~ = 24 kNm~3.
En considérant les tracés A et C on voit que le moment
moteur Mm (sans sous-pression U) atteint la même valeur que
le moment résistant Mr pour une valeur de z environ égale à
4,8m. Autrement dit, en l'absence d'une sous-pression U le
basculement de l'élément de hausse 11 se produira quand le
niveau de l'eau atteindra une hauteur de 4,8m au-dessus du
seuil 6. De m~me, en considérant les tracés A et D, on voit
qu'en présence d'une sous-pression U, le moment moteur MmU
atteint la même valeur que le moment résistant Mr pour une
valeur de z d'environ 4,4m. Les ~léments de hausse ainsi
dimensionnés s'adapteront à un seuil dont les plus hautes
eaux correspondant au niveau RM sont de 5m. D'après les
20577~2
- l5
formules (11) et (13), on voit que si l'on avait voulu que,
en l'absence de sous-pression U et sans changer la valeur de
la hauteur Hl de l'élément de hausse ll, le basculement de
ce dernier se produise pour une valeur de z égale à 4,5m, il
aurait fallu diminuer la valeur de ~ et/ou la valeur de L
et/ou la valeur de B par rapport aux valeurs indiquées plus
haut.
D'après ce qui précède, on voit que, par un
dimensionnement approprié en taille et en poids de l'élément
de hausse ll et par un dimensionnement approprié de la butée
12, on peut faire en sorte que l'élément de hausse 11
bascule pour un niveau d'eau prédéterminé. On voit également
que si l'élément de hausse 11 a été dimensionné pour
basculer à un niveau d'eau prédéterminé en l'absence d'une
sous-pression à sa base et si l~étanchéité entre l'élément
de hausse et le seuil 6 n'est pas parfaite, une sous-
pression s'exercera sur la base de l'élément de hausse, ce
qui provoquera son basculement pour un niveau d'eau
inférieur au niveau d'eau prédéterminé susmentionné. Un
défaut d'étanchéité n'est donc pas catastrophique mais
constitue plutôt un facteur de sécurité dans la mesure où il
aide au basculement de l'élément de hausse.
Ceci peut être mis à profit pour provoquer le
basculement de l'élément de hausse 11 de manière encore plus
sûre et avec une plus grande pr~cision en ce qui concerne le
niveau d'eau auquel se produit le basculement. En effet, il
peut être avantageux de prendre des dispositions pour que la
sous-pression U appliquée à l'élément de hausse reste nulle
ou très faible tant que le niveau de l'eau reste inférieur à
un niveau prédétermin~, et pour qu'une sous-pression de
valeur substantiellement plus forte soit brusquement
appliquée à l'élément de hausse 11 à l'instant où le niveau
de l'eau atteint ledit niveau prédéterminé, le
dimensionnement des éléments étant tel qu'à cet instant le
moment moteur passe brusquement d'une valeur Mm un peu plus
petite que la valeur du moment résistant Mr à une valeur MmU
_ 16 2 0~77q 2
substantiellement plus grande que la valeur dudit moment
résistant Mr. A cet effet, on peut utiliser par exemple un
dispositif déclencheur tel que celui montré dans la figure
7. Le dispositif déclencheur montré dans la figure 7 est
essentiellement constitué par un tuyau de pressurisation 21
qui, en service normal, met la zone sous-jacente à l'élément
de hausse 11 en relation avec l'atmosphère, l'extrémité
supérieure 21a du tuyau de pressurisation 21 étant située à
un niveau égal ou inférieur au niveau N pour lequel on
désire que le basculement de l'élément de hausse 11 se
produise (la différence entre le niveau du sommet du tuyau
et le niveau N correspondant ~ la hauteur de la lame d'eau
se déversant dans le tuyau et nécessaire à son remplissage).
Le tuyau 21 peut passer à travers l~élément de hausse 11
comme montré en trait plein dans la figure 7, ou il peut
passer à l'extérieur de l'élément 11 de hausse comme montré
en trait mixte en 21' dans la figure 7, de telle façon que
son extrémité supérieure soit placée en dehors de l'élément
de hausse 11. Le tuyau de pressurisation peut encore être en
partie noyé dans le seuil 6 comme cela est également montré
en trait mixte en 21" dans la figure 7. Dans le cas où
plusieurs éléments de hausse 11 sont prévus et doivent
basculer pour des niveaux d'eau différents, au moins un
tuyau de pressurisation 21 est associé à chaque élément de
hausse et chaque tuyau de pressurisation 21 s'étend vers le
haut jusqu'au niveau pour lequel chaque élément doit
basculer. Naturellement, dans ce cas, les zones du seuil 6
qui sont sous-jacentes à des éléments de hausse devant
basculer pour des niveaux d'eau différents, doivent être
isolées les unes des autres par des joints d'étanchéité
disposés de manière appropriée.
En plus ou en remplacement du dispositif déclencheur 21
de la figure 7, on peut envisager de mettre en oeuvre un
autre dispositif déclencheur (fig.8) constitué
essentiellement par un tuyau 22 qui est disposé selon l'une
des modalités indiquées plus haut pour le tuyau 21 et dont
2~77~2
17
l'extrémité 23 qui est éloigné de la zone sous-jacente à
l'élément de hausse ll est reliée à un dispositif de mise en
pression 24 qui peut être commandé par un robinet 25
commandé par un dispositif de commande 26 automatique et/ou
manuel et qui permet de provoquer le basculement des hausses
alors qu'elles seraient restées stables. Le dispositif de
mise en pression 24 peut être par exemple un réservoir, plus
haut que le seuil 6, contenant de l'eau dont la surface
libre est en contact avec l'atmosphère. Le dispositif 24
peut aussi être une réserve de fluide maintenu sous
pression. Le dispositif 26 peut être par exemple un volant
de manoeuvre du robinet 25, ou une commande automatique du
robinet 25 reliée à un capteur du niveau de la retenue ou du
débit à l'amont de la retenue, ou une combinaison de ces
éléments. Il est clair que selon la valeur de la pression
appliquée par le dispositif 24, le basculement de l'un au
moins des éléments de hausse ll n'est possible qu'à partir
du moment où l~eau a atteint un certain niveau dans la
retenue. Ce dispositif facilite un basculement prématuré
sélectif des éléments de hausse ll pour prévenir une très
forte crue par exemple.
Cette solution doit notamment permettre, lorsqu'une
crue exceptionnelle est annoncée, de commencer à vider le
réservoir en avance en provoquant volontairement et/ou
automatiquement le basculement d'au moins un élément de
hausse ll et de réduire d'une part le nombre des éléments
qui devront basculer lors du plein effet de la crue sur la
hausse lO, et d'autre part le débit maximum de la crue en
aval.
Il peut être avantageux, pour améliorer la sécurité
d'un ouvrage existant dont le seuil déversant 6 avait été
initialement arasé, en fonction d'une crue exceptionnelle
initialement choisie, à un niveau déterminant le niveau de
la retenue normale RN, de déraser le seuil 6 de quelques
décimètres en-dessous de sa cote actuelle (correspondant à
RN) et de poser sur le seuil dérasé 6 une hausse fusible lO
205777~
l8
.
conforme à la présente invention, composée d'au moins un
élément de hausse 11 dimensionné en taille et en poids de la
manière décrite plus haut pour basculer autour de la butée
12 lorsque le niveau de l'eau atteint un niveau
prédéterminé. Dans ces conditions, la probabilité
d'ouverture de la hausse 10 n'est pas modifiée mais, en cas
de crue exceptionnelle, la section d'écoulement disponible
après destruction totale de la hausse lO est notablement
augmentée pour un même niveau d'eau dans la retenue, ce qui
permet d'évacuer sans risque une crue ayant un débit très
supérieur à celui de la crue pour laquelle l'ouvrage avait
été initialement dimensionné.
Dans la description qui pr~cède, on a supposé que
chaque élément de hausse 11 est constitué par un bloc ayant
en gros une forme parallélépipédique. Chaque élément de
hausse ll peut être constitue par un bloc creux comme montré
dans la figure ~a, comportant un ou plusieurs alvéoles
remplis d'un lest 32, comme par exemple du sable, des
graviers ou autres matériaux pesant en vrac. Un couvercle
(non montré) peut être prévu pour obturer le ou les alvéoles
31 après qu'ils ont été remplis d'un lest. La forme
d'exécution de la figure 9a convient particulièrement bien
quand la hausse lO doit comporter plusieurs éléments de
hausse ayant tous la même hauteur, mais devant basculer pour
des niveaux d~eau diff~rents. Dans ce cas, il suffit en
effet de régler le poids de chacun des éléments de hausse ll
par une quantité de lest 32 appropriée pour obtenir le
basculement de l'élément de hausse 11 correspondant pour le
niveau d'eau N prédéterminé désiré. Elle présente également
l'avantage de faciliter la mise en place des hausses 11, qui
peuvent être posées vides de leur lest sur le déversoir 6
afin de faciliter leur manutention. Elle permet enfin
d'améliorer l'évacuation des hausses lors de leur
basculement puisque la force de l'eau peut les vider de leur
lest et diminuer ainsi leur poids.
Suivant une autre forme d'exécution de la présente
-
19 20~7772
invention, chaque él~ment de hausse 11 peut être constitué
par un assemblage de plaques, en béton, en acier ou en tout
autre matière appropriée rigide et pesante. Comme montré
dans la figure 9b, l'assemblage de plaques peut comporter
une plaque rectangulaire de base 33, horizontale ou
sensiblement horizontale, et une plaque rectangulaire
frontale 34, verticale ou faisant avec la verticale un
angle ~ pouvant atteindre 30 degrés, qui se dresse à
partir du bord aval de la plaque de base 33. On notera que,
dans ce cas, le poids de la colonne d'eau située au-dessus
de la plaque de base 33 contribue, comme effort r~sistant, à
stabiliser l'él~ment de hausse tant que le niveau de l'eau
n'a pas atteint le niveau prédéterminé auquel se produit le
basculement dudit élément de hausse.
Comme montré figure 9c, l'assemblage de plaques peut
comporter en plus des plaques 33 et 34 deux plaques
latérales 30 qui sont jointes par leur bord inférieur à la
plaque de base 33 et par un de leurs bords verticaux à la
plaque frontale 34. Dans la disposition particulière de la
figure 9c les plaques latérales 30 présentent l'avantage de
limiter les pertes d'eau latérales au début du basculement,
liées à la rupture du joint 13. Elle améliore en conséquence
la précision du basculement et évite tout phénomène
oscillatoire.
La figure 10 représente en coupe verticale un élément
de hausse 11 semblable à ceux de la figure 9b ou 9c équipé
en plus d'un tuyau de pressurisation 21 ayant la même
fonction que celui de la figure 7. Dans la figure 10, la
plaque horizontale 33 est fixée à la plaque frontale 34 de
façon à se trouver à distance au-dessus du seuil 6, et elle
comporte, du côté amont, un rebord 33a dirig~ vers le bas.
Le joint d'étanchéité 15 est disposé entre le rebord 33a et
le seuil 6. Au-dessous de la plaque 33 est ainsi formée une
chambre 35, dans laquelle débouche le tuyau 21 à sa partie
inférieure. Un orifice 36 est prévu à la base de la plaque
34, l'orifice 36 ayant une section plus petite que celle du
2~7772
tuyau 21.
Avec l'élément de hausse de la figure 10, quand, en
service, le niveau de l'eau est voisin du niveau N, mais
plus bas que celui-ci, les vagues éventuelles en surface
peuvent provoquer des entrées d'eau dans le tuyau 21. Ces
entrées d'eau rempliront partiellement la chambre 35 qui, en
même temps se videra par l'orifice 36. On évité ainsi qu'une
sous-pression ne soit appliquée à la plaque 33 à cause des
vagues, tant que le niveau d'eau n'a pas atteint le niveau N
auquel on désire que le basculement de l'élément de hausse
11 se produise. La chambre 35 et l'orifice 36 permettent
donc d'augmenter la précision du niveau auquel se produit le
basculement. Bien entendu, on peut prévoir sous l'élément 11
de la figure 7 une chambre semblable à la chambre 35, ainsi
qu'un orifice de drainage de cette chambre semblable à
l'orifice 36.
La figure 11 montre, en coupe verticale, un élément de
hausse 11 composé de plusieurs modules llg à llj qui sont
empilés les uns sur les autres. Lesdits modules sont rendus
solidaires deux à deux par un dispositif de liaison 38
empechant le glissement des modules supérieurs vers l'aval.
Le dispositif 38 peut par exemple etre constitué par des
crochets, ou par un emboitement des modules les uns sur les
autres. Les modules peuvent avoir tous la même dimension
verticale ou des dimensions verticales différentes; par
exemple, le module supérieur llj a une dimension verticale
plus faible que celles des autres modules. Avec une telle
construction de l'élément de hausse, les opérations de mise
en place de la hausse sont facilitées. Avantageusement le
dispositif 38 peut être conc~u de manière à permettre aux
modules de se désolidariser automatiquement en cas de
basculement ou sous l'action extérieure de poussoirs ou de
cables qui peuvent être manoeuvrés, par exemple à partir
d'une passerelle (non montrée) enjambant le déversoir. Les
deux formes possibles d'éxécution du dispositif 38 déja
citées peuvent remplir ces conditions.
-
21 20~77~
Dans la forme d'exécution présentée figures 12 à 15,
les parties de l'élément de hausse 11 qui sont identiques ou
ont le même objet que celles décrites précédemment, sont
désignées par le même numéro de référence.
Comme indiqué dans les figures 12 et 13, l'assemblage
de plaques peut comporter une plaque de ~ase 33,
sensiblement rectangulaire ou trapézoïdale, horizontale ou
sensiblement horizontale, et une plaque frontale 34,
rectangulaire ou trapézoïdale, verticale ou faisant avec la
verticale un angle ~ pouvant atteindre 30 degrés. Comme
cela est mieux visible dans la figure 13a, le bord inférieur
de la plaque frontale 34 est librement engagé dans une
rainure 40 pratiquée dans la plaque de base 33 de préférence
près de son bord aval. Un joint d'étanchéité 41 est disposé
dans la rainure 40 entre les plaques 33 et 34. Bien entendu,
la plaque frontale 34 peut aussi être fixée rigidement à la
plaque de base 33.
Selon la forme d'exécution montrée figures 12 à 15,
l'assemblage de plaques comporte au moins un tirant, par
exemple deux tirants 30a qui sont joints par leurs
extrémités à la plaque de la base 33 et à la plaque frontale
34. La mise en oeuvre de deux tirants 30a est préférable
pour les éléments de hausse 11 de grande hauteur, car elle
permet de mieux transmettre les efforts de la plaque
frontale 34 à la plaque de base 33. Les tirants peuvent être
réalisés en acier ou en tout autre matière appropriée. Bien
entendu, le ou les tirants 30a peuvent être remplacés par
une ou plusieurs plaques de renfort analogues aux plaques 30
de la figure 9c.
Comme indiqué dans les figures 12 et 13, la plaque de
base 33 se trouve à une certaine distance au-dessus du seuil
6 et comporte, côté amont, un rebord 33a dirigé vers le bas,
côté aval, un rebord 33b dirigé vers le bas, et sur les
côtés latéraux, deux rebords 33c également dirigés vers le
bas, ces quatre rebords reposant sur un cadre préfabriqué 42
posé sur le seuil 6 préalablement dérasé ou conçu de manière
22 2057772
appropriée. Une couche de mortier 6a d'épaisseur appropriée
est ensuite versée sur le seuil 6 pour enrober le cadre 42
de telle sorte que sa surface supérieure affleure le niveau
final du seuil, prêt à recevoir l'élément de hausse 11. Bien
entendu, les quatre rebords 33a, 33b, 33c peuvent aussi
reposer directement sur le seuil 6 si ce dernier a été
préalablement aménagé ou conc,u de manière appropriée.
Un joint d'étanchéité 15 est disposé entre les rebords
33a, 33c et le cadre 42 ou le seuil 6 selon les cas. Au-
dessous de la plaque 33 est ainsi formée une chambre 35,
dans laquelle débouche à sa partie inférieure 21b un tuyau
de pressurisation 21 et qui permet de favoriser le
basculement avec précision de l'élément de hausse 11, pour
un niveau d'eau égal au niveau N prédéterminé, grâce à la
mise en sous-pression de la chambre 3S, comme décrit plus
haut en référence aux figures 7 et 10.
Un orifice 36 est prévu à la base du rebord aval 33b de
la plaque de base 33 pour drainer la chambre 35, lorsque
celle-ci est remplie partiellement par les entrées d'eau
provoquées par les vagues submergeant temporairement
l'extrémité supérieure 21a du tuyau 21 ou par des fuites au
niveau du joint d'étanchéité 15.
Selon la forme d'exécution montrée figures 12, 14 et
15, des joints d'étanchéité 13, en caoutchouc ou en toute
autre matière adéquate, sont prévus à chacune des extrémités
latérales des éléments de hausse 11. La conception du joint
d'étanchéité 13 doit être telle que le basculement d'un
élément de hausse 11, au cas où la hausse 10 serait
constituée de plusieurs éléments de hausse 11 basculant pour
des niveaux d'eau différents, n'entraine pas le basculement
des autres éléments de hausse 11.
Les figures 16a et 16b montrent en coupe transversale
deux formes possibles pour le joint 13 répondant à cette
nécessité.
Le tuyau de pressurisation 21 peut se dresser
verticalement au-dessus de la plaque de base 33, comme
2~57772
23
montré dans les figures 12 et 13 ou obliquement vers l'amont
comme le tuyau 21' de la figure 7. Le tuyau 21 peut encore
être en partie noyé dans le seuil 6 comme le tuyau 21~ de la
figure 7.
En plus ou en remplacement du tuyau 21 des figures 12 à
15, on peut envisager de mettre en oeuvre un autre
dispositif déclencheur (fig. 17 et 18) analogue à celui de
la figure 8 et constitué essentiellement par un tuyau 22
dont l'extrémité 22a débouche dans la chambre 35 et dont
l l'extrémité éloignée 23 est reliée à un dispositif de mise
en pression 24. Le tuyau 22 peut être équipé d'un robinet 25
commandé par un dispositif de commande 26 automatique et/ou
manuel comme mentionné plus haut. Le dispositif de mise en
pression 24 peut être par exemple un réservoir, plus haut
que le seuil 6, contenant de l'eau dont la surface libre est
en contact avec l'atmosphère, ou encore la retenue d'eau du
barrage, ce qui constitue la solution la plus simple à
mettre en oeuvre.
Comme montré dans les figures 12, 13 et 17, chaque
élément de hausse 11 est de préférence retenu contre tout
glissement vers l'aval, par une ou des butées 12 fixées ou
scellées dans le seuil 6 ou solidaire du cadre 42. Comme
montré notamment figures 12 et 17, ce dispositif peut être
complété par la mise en place sur la plaque 33 d'un lest 32
constitué, soit d'un élément monobloc, soit de plusieurs
éléments empilés ou de matériaux en vrac disposés dans un
réceptacle prévu à cet effet. Ce lest 32 permet d'optimiser
l'équilibre entre le moment moteur et le moment résistant,
tout en favorisant la réalisation d'éléments de hausse 11
dont chaque partie présente un poids unitaire peu élevé
facilitant les manutentions et l'assemblage.
Bien qu'après assemblage, l'élément de hausse 11 soit
rigide et massif, les liaisons entre ses diverses parties
constitutives peuvent être conçues et réalisées de manière à
ce qu'après le basculement d'un élément de hausse 11, chaque
partie constitutive puisse se séparer des autres de façon à
24 205~77~
..
n'avoir à l'aval que des pièces peu volumineuses et plus
faciles à récupérer ou à laisser perdues. C'est ainsi
not~mmPnt que dans les formes de réalisation des figures 12
à 18, les tirants 30a peuvent être attachés aux plaques 33
et 34, par exemple par des ensembles d'anneaux et de
crochets se détachant lors du basculement de l'élément de
hausse. Cette conception est particulièrement intéressante
pour les éléments de hausse de grandes ~im nsions car elle
est aussi de nature à en faciliter la manutention et
l l'assemblage par mise en oeuvre d'éléments de faible poids
unitaire.
Le dispositif de hausses de l'invention présente de
nombreux avantages :
1.- Pour les déversoirs importants, la fabrication et
l'installation de ces hausses se révèlent plus économiques
que celles de la fraction des vannes qu'elles remplacent et
dans le cas le plus général, ne nécessitent pas de
modifications majeures de l'ouvrage.
2.- Il permet d'obturer de façon quasi permanente et
sur une hauteur plus élevée que celle autorisée par les
hausses décrites dans les deux demandes de brevets canadiens
N 2032275.6 et 2032258.6 déjà citées, tout ou partie d'un
seuil déversant- libre, tout en permettant de façon
totalement fiable, l'évacuation des crues exceptionnelles,
et en règle générale, sans intervention extérieure.
3.- Ce dispositif autorise la mise en place d'éléments
de hausse de faible largeur conduisant après basculement
d'un élément de hausse à une faible augmentation du débit
aval.
Il est bien entendu que les formes d'exécution de la
présente invention qui ont été décrites ci-dessus ont été
données à titre purement indicatif et nullement limitatif,
205~
.,
et que de nombreuses modifications peuvent être facilement
apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du
cadre de la présente invention.
