Ouvrages de contrôle

Les ouvrages de contrôle sont des éléments courants des canaux; ils ont les fonctions suivantes:

  • hausse du niveau d’eau, pour obtenir par exemple une profondeur suffisante d’un chenal pour faciliter la navigation des bateaux, pour une exploitation de l’énergie hydraulique, pour une protection contre l’érosion par une réduction de la vitesse d’écoulement

  • régulation du débit

  • mesure du débit

Les déversoirs et vannes sont des ouvrages de contrôle typiques

What is a weir? Watch the video below.

Les ouvrages de contrôle sont soit fixes, soit mobiles. Les vannes sont le plus souvent mobiles, elles peuvent réguler le niveau de l’eau et le débit. Les mouvements peuvent être: levables, abaissables, elles peuvent aussi être tournants, rotatifs, roulants ou être commander par des associations des mouvements mentionnés. Les déversoirs peuvent être fixes ou mobiles. Les déversoirs fixes ne peuvent pas réguler le niveau de l’eau, mais offrent l’avantage de ne pas comporter de pièces mobiles sujettes à des dysfonctionnements et nécessitant une maintenance intensive. Une forme spéciale de déversoir fixe est le déversoir à siphon.

Dans la zone de l’ouvrage de contrôle, l’écoulement passe de sous-critique à supercritique.

Les ouvrages de contrôle réels sont constitués par les éléments suivants:

  • corps de barrage (produit une hausse du niveau d’eau); peut être fixe, mobile ou les deux à la fois

  • bassin d’amortissement: dissipation d’énergie de l’écoulement

  • fixation du radier dans l’eau en amont et l’eau en aval, ouvrages de raccordement (bajoyers)

  • constructions de continuité écologique

Conditions de nappe au niveau du déversoir

On peut trouver deux conditions de nappe au niveau du déversoir. Dans le cas de la nappe dénoyée, l’eau en amont n’est pas infl uencée par l’eau en aval. L’écoulement est critique au niveau de la crête de déversoir. La crête de déversoir se situe au-dessus du niveau aval. Le déversoir est qualifié de déversoir dénoyé.

Dans le cas de la nappe noyée, l’eau en amont est influencée par l’eau en aval. Le déversoir agit comme ce que l’on appelle un déversoir noyé et est très souvent entièrement immergé.

Lorsque la nappe est dénoyée, les déversoirs découplent le niveau de l’eau en amont de celui de l’eau en aval. Dès lors que l’eau en aval submerge les crêtes de déversoir au point qu’au-dessus d’elle la profondeur critique est dépassée, on a une nappe noyée.

1 nappe dénoyée, 2 nappe noyée; W hauteur du déversoir, ho hauteur, hc profondeur critique, Q débit, hd profondeur d’écoulement de l’eau en aval, hw profondeur de l’écoulement sur la crête de déversoir

Types de déversoirs

On distingue principalement trois types de déversoirs:

  • à paroi mince

  • à crête arrondie/arrondi (déversoir dénoyé)

  • à seuil épais

Les déversoirs à paroi mince sont utilisés de préférence comme déversoir de mesure; on trouve souvent les déversoirs à crête arrondie comme déversoir de retenue et évacuateur de crue et les déversoirs à seuil épais servent souvent de seuil et d’ouvrage submergé.

Les trois types de déversoirs sont étudiés dans les canaux d’essai de GUNT.

Ouvrages de contrôle: écoulement par des déversoirs fixes

Ouvrage de contrôle simplifié: déversoir à crête arrondie avec bassin d’amortissement

1 crête de déversoir,

2 corps de déversoir,

3 doucine,

4 bassin d’amortissement;

ZH niveau maximal de la retenue le plus élevé, ho hauteur, E charge spécifique; rouge triangle de base du déversoir utilisé comme aide au dimensionnement

Les déversoirs fixes sont souvent utilisés pour retenir les eaux d’une rivière. Le déversoir lui-même est constitué d’un corps de barrage massif. Le moment appliqué par la pression de l’eau est compensé par le poids du barrage. C’est la raison pour laquelle les déversoirs sont normalement construits de telle manière à ce que leurs contours externes correspondent à peu près à un triangle. Le dos de déversoir peut être conçu de manière à favoriser l’écoulement, afi n d’atteindre un débit Q maximum. Le profil WES est un profil d’écoulement favorable à l’hydraulique qui a été développé par l’armée américaine à la Waterways Experimental Station de Vicksburg, MS, aux États-Unis. La conception du profil WES ne suppose pas la présence de ce que l’on appelle le débit de dimensionnement. En général, des débits inférieurs au débit de dimensionnement sont évacués par le déversoir. Le déversoir est donc optimisé pour un débit un peu inférieur. Pour les débits inférieurs ou égaux au “débit de projection”, le profil d’écoulement reste stable, les décollements de la lame sont évités. Dans le cas où on a le débit de dimensionnement, de faibles sous-pressions se forment sur le dos de déversoir. Ceux-ci ne présentent néanmoins aucun danger pour le déversoir.

Ouvrages de contrôle: types de chutes sur le déversoir

Il existe deux types de chute: ce qu’on appelle le déversoir à chute libre et le déversoir à profil hydrodynamique. Pour les deux types de chute, la condition de nappe peut être noyée ou dénoyée.

Pour le cas du déversoir à chute libre, il est important que la lame déversante soit aérée afin qu’elle tombe librement. Sans aération, des dysfonctionnements peuvent se produire et entraîner une baisse de débit.

Dans le cas du déversoir à profil hydrodynamique sur un déversoir fixe, il est important d’éviter tout décollement de la lame (débit réduit) ainsi que des dépressions trop élevées (risque de cavitation).

Ouvrages de contrôle: calcul du débit sur le déversoir

Le calcul du débit joue un rôle important dans le cadre de l’écoulement à travers des ouvrages de contrôle. Pour calculer le débit, on utilise la formule de Poleni. Pour un déversoir avec nappe dénoyée, on applique la relation:

μ est un facteur qui tient compte de la géométrie du déversoir (voir Tableau), b est la largeur de crête du déversoir, ho est la hauteur.

Dans le cas de la nappe noyée, l’équation est complétée par un facteur de réduction relevé sur les graphiques correspondants. En se servant de l’équation de Bernoulli, on peut calculer la charge spécifique E à partir de l’énergie cinétique (vitesse d’approche vu) et de la profondeur hu de l’eau en amont. vu a souvent une valeur relativement faible et est donc ignorée.

L’écoulement appliqué aux modèles étudiés avec les canaux d’essai GUNT est normal, c’est-à-dire perpendiculaire à la direction de l’écoulement. Les déversoirs considérés font donc partie du groupe des déversoirs fixes.

Dans la pratique, il existe aussi ce qu’on appelle des déversoirs latéraux utilisés pour l’évacuation de crues. Les déversoirs latéraux sont montés en parallèle à la direction de l’écoulement. Les déversoirs latéraux sont également des déversoirs fixes.

Coefficients de débit µ pour des déversoirs avec différentes formes de crête

Ouvrages de contrôle: déversoirs à crête arrondie

Les déversoirs à crête arrondie fixes (en anglais, „Ogee weir”) sont utilisés avant tout comme évacuateur de crue. Ils ont habituellement un dos de déversoir favorable à l’écoulement, par exemple avec le profil WES.

Déversoir à profil hydrodynamique sur le déversoir à crête arrondie, distribution de la pression sur la crête de déversoir avec différents débits

1 lame déversante sur la crête, 2 le dos de déversoir correspond à peu près au contour de la lame déversante libre, 3 lame déversante se décollant quand le débit est très élevé; Q débit, QB débit de dimensionnement

Ouvrages de contrôle: déversoirs à paroi mince

Sur le déversoir à paroi mince, on a également la nappe dénoyée et la nappe noyée. Pour obtenir un débit optimal sur le déversoir à paroi mince, il est important que la lame déversante soit aérée. La pression qui règne sur les parties supérieure et inférieure de la lame déversante aérée est la pression ambiante.

Les grandeurs typiques sont la hauteur du déversoir W, la hauteur ho au-dessus de la crête de déversoir de l’eau en amont et la profondeur d’écoulement de l’eau en aval hd. Avec la largeur du déversoir b, ces grandeurs sont intégrées à la formule de Poleni pour le calcul du débit. Certaines grandeurs sont intégrées indirectement dans des coefficients ou des facteurs de réduction.

Nappe dénoyée aérée au niveau du déversoir à paroi mince

1 déversoir

2 lame déversante

3 abaissement; vu vitesse dans l’eau en amont

v1 vitesse dans la lame déversante, hd profondeur d’écoulement de l’eau en aval, ho hauteur, hu profondeur de l’eau en amont, W hauteur du déversoir

Nappe noyée

1 sur le déversoir à paroi mince partiellement immergé

2 sur le déversoir à paroi mince entièrement immergé (débit ondulé)

Ouvrages de contrôle: déversoirs à seuil épais

Les déversoirs à seuil épais sont des ouvrages submergés utilisés dans les eaux courantes dans lesquelles le débit varie peu et pour lesquelles on souhaite obtenir un niveau maximal de retenue relativement faible. Ils peuvent en outre constituer la partie inférieure d’un ouvrage de contrôle mobile.

Les déversoirs à seuil épais sont caractérisés par le fait qu’une courte section d’écoulement pratiquement uniforme avec profondeur critique se produit sur la crête de déversoir (voir illustration). On a sur cette section une répartition de la pression hydrostatique, et les lignes de courant sont pratiquement horizontales. Ces conditions sont valables tant que le ratio hauteur sur longueur du déversoir ho/L est compris entre 0,08 et 0,5. Les déversoirs à seuil épais ayant ces dimensions peuvent être également utilisés comme déversoir de mesure.

Dès lors que ho/L<0,08, les pertes par frottement ne peuvent plus être négligées, le corps de déversoir est trop long pour pouvoir servir de déversoir de mesure. Lorsque ho/L>0,5, c’est-à dire avec des corps de déversoir courts, les lignes de courant ne sont pas horizontales, la distribution de la pression n’est pas hydrostatique, et on ne peut donc pas utiliser les méthodes de calcul présentées dans cette brochure.

Pour des raisons écologiques on utilise aujourd’hui rarement un déversoir à seuil épais comme seuil dans les rivières. On lui préfère la construction d’une rampe afin que les poissons et autres créatures aquatiques puissent nager en amont.

Les canaux d’essai GUNT permettent d’étudier différents déversoirs à seuil épais et les débits respectifs Q.

Déversoir à seuil épais

vu vitesse d’écoulement de l’eau en amont, hu profondeur de l’eau en amont, W hauteur du déversoir, hc profondeur critique, L longueur du déversoir;

Les fl èches montrent les lignes de courant

Ouvrages de contrôle: déversoir à siphon

Le déversoir à siphon compte parmi les déversoirs fixes. Le principe hydraulique du siphon est représenté dans les illustrations, le montrant par exemple dans le cas de son utilisation comme évacuateur de crue.

Dès que le niveau de l’eau du lac artificiel monte juste au-dessus de la crête de déversoir du corps de barrage, le siphon se déclenche, ce qui entraîne une brève chute libre. En cas de légère augmentation du niveau de l’eau, et donc de légère hausse du débit, le jet d’eau est conduit par le nez d’amorçage en direction du recouvrement de siphon. Cela entraîne une évacuation par le tuyau de siphon, et donc un écoulement en charge dans le conduit entièrement traversé. Cet écoulement en charge a une capacité d’évacuation élevée qui augmente à peine lorsque le niveau de l’eau continue d’augmenter.

Lorsque le niveau de l’eau du lac artificiel redescend au point qu’il passe en dessous du bord de la lèvre d’entrée, de l’air est aspiré dans le siphon et le siphon est aéré. Ce qui interrompt brusquement l’écoulement d’eau.

Un dispositif d’aération complémentaire permet d’interrompre le débit à tout moment. Les déversoirs à siphon de GUNT disposent d’une aération permettant de comparer le fonctionnement ou la capacité d’évacuation du déversoir à siphon avec et sans aération.

Les possibilités d’ajustage des déversoirs à siphon sont limitées et ils ne peuvent pas être surchargés. Du fait de leur capacité d’évacuation élevée, ils étaient autrefois souvent utilisés dans les barrages pour l’évacuation de crues.

Principe d’un déversoir à siphon

1 aération maniable, 2 corps de déversoir, 3 nez d’amorçage, 4 tuyau de siphon, 5 recouvrement de siphon;

ZS niveau maximal de la retenue, ZH niveau maximal de la retenue le plus élevé

Ouvrages de contrôle: écoulement sous des vannes

Écoulement en dessous d’une vanne plane

1 écoulement dénoyé, 2 écoulement noyé; hu profondeur de l’eau en amont, a hauteur de l’ouverture de vanne, hd profondeur d’écoulement de l’eau en aval, h1 profondeur minimale de l’écoulement, L position de la profondeur minimale de l’écoulement, E charge spécifi que, ΔE perte de charge

Pour les vannes il y a, comme pour les déversoirs submergés, un écoulement dénoyé et un écoulement noyé. Une contraction de jet a lieu lors de l’écoulement, que l’on appelle “vena contracta” (profondeur minimale de l’écoulement h1). On a un écoulement dénoyé tant que l’écoulement s’écoule sans perturbation en dessous de la vanne et qu’il n’y a pas de retenue de l’eau en aval au niveau de la vanne. Dans le cas de l’écoulement dénoyé, on a un écoulement supercritique juste après la vanne.

Par analogie avec l’écoulement par des déversoirs, on calcule le débit d’écoulement dénoyé Q à partir de l’équation de Bernoulli, du principe de conservation de l’impulsion et de l’équation de continuité

avec μ=coeffi cient de débit, b=largeur de vanne, a=hauteur de l’ouverture de vanne.

Les vannes sont des ouvrages de contrôle mobiles, ce qui signifi e que l’hauteur de l’ouverture de vanne a et donc le débit Q est modifi é et ajusté aux besoins réels. Il existe dans la pratique des diagrammes caractéristiques sur lesquels on peut lire le débit Q (à des profondeurs de l’eau en amont et de l’eau en aval hu et hd et pour une hauteur de l’ouverture de vanne a donnés).

La vanne radiale circulaire est une vanne très couramment utilisée pour contrôler le débit. La vanne radiale est souvent placée sur la crête de déversoir d’un ouvrage de contrôle. L’écoulement ne passe pas seulement en dessous de la vanne radiale, il peut aussi passer par-dessus lorsque la vanne radiale est positionnée à l’intérieur d’un canal (déversoir radial).

Les canaux d’essai de GUNT permettent l’installation et l’étude d’une vanne plane plate et d’une vanne radiale.

Écoulement en dessous d’une vanne radiale

hu profondeur de l’eau en amont, a hauteur de l’ouverture de vanne, hd profondeur d’écoulement de l’eau en aval