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barrage

Structure des barrages
Structure des barrages

Obstacle artificiel au moyen duquel on crée une retenue d'eau, généralement en coupant un cours d'eau.

Introduction

Les barrages, ouvrages hydrauliques édifiés au travers d'une vallée, ont pour objet de retenir, en les accumulant en hauteur, les eaux d'une rivière. Leur objectif primitif et qui demeure toujours essentiel est l'irrigation. Ils peuvent également être utilisés en tant que régulateurs de crues, à des fins énergétiques (production d'énergie hydroélectrique) ou pour l'alimentation en eau potable. Ces différentes fonctions sont souvent associées afin de valoriser un même barrage. Mais, dans la gestion du stock de l'eau, une prépondérance est toujours donnée à l'une d'entre elles. D'autres utilisations, bien que secondaires, sont également à mentionner : usages industriels (rétention d'effluents boueux), navigation, création de polders, de plans d'eau…

Les barrages comptent parmi les constructions humaines les plus anciennes. Leur développement actuel coïncide avec les évolutions démographique et économique, qui imposent, dans la plupart des régions du globe, la construction de réservoirs de plus en plus grands, tant en hauteur qu'en longueur, afin d'assurer de manière continue et régulière les besoins en eau et en énergie des populations, des cultures et des industries. Il est désormais possible, grâce au développement des moyens de recherche et de calcul et aux progrès effectués par les méthodes d'exécution, de réaliser ces ouvrages importants plus rapidement, à moindre coût et avec plus de sécurité. Les grands principes de base sont toutefois restés les mêmes et la distinction entre les différents types de barrage (en béton ou en matériaux meubles) reste valable.

Quelques barrages

Barrages-poids

Grand Coulee (É.-U., 1942, Hauteur = 108 m, Longueur = 1 272 m, Volume du matériau principal = 8 Mm3, Volume du réservoir = 11,6 Gm3) ; Bratsk (Russie, 1964, Hauteur = 123 m, Longueur = 1 430 m) ; Grande-Dixence (Suisse, 1962, Hauteur = 285 m, Longueur = 695 m).

Barrages-poids évidés

Itaipú (Brésil-Paraguay, 1983, Hauteur = 185 m, Longueur = 7 900 m, Volume du matériau principal = 27 Mm3, Volume du réservoir = 29 Gm3).

Barrages-voûtes

Kebar (Iran, xiiie-xive s., Hauteur = 45 m, Longueur = 55 m) et Kurit (idem, Hauteur = 66 m) ; Tignes (France, 1962, Hauteur = 180 m, Longueur = 375 m) ; Ingouri (Georgie, 1984, Hauteur = 272 m, Longueur = 680 m) ; Mauvoisin (Suisse, 1957, Hauteur = 237 m, Longueur = 520 m).

Barrages à contreforts

Alcantara II (Espagne, 1969, Hauteur = 138 m, Longueur = 570 m) ; Hatanagi (Japon, 1962, Hauteur = 125 m, Longueur = 228 m) ; Valle-Grande (Argentine, 1965, Hauteur = 115 m, Longueur = 300 m).

Barrages à voûtes multiples

Daniel-Johnson (Canada, 1968, Hauteur = 214 m, Longueur = 1 314 m, Volume du matériau principal = 2,3 Mm3, Volume du réservoir = 142 Gm3).

Barrages en terre

Rogoun (Tadjikistan, 1988, Hauteur = 335 m, Longueur = 660 m, Volume du matériau principal = 75,7 Mm3) ; Mica (Canada, 1972, Hauteur = 240 m, Longueur = 792 m, Volume du matériau principal = 32 Mm3).

Barrages en enrochements

Chicoassen (Mexique, 1980, Hauteur = 263 m, Longueur = 480 m, Volume du matériau principal = 15 Mm3). Tarbela (Pakistan, 1976, Hauteur = 148 m, Longueur = 2 750 m, Volume du matériau principal = 121 Mm3, Volume du réservoir = 13 Gm3).

Les barrages en béton

Les barrages-poids ont acquis leur forme quasi définitive dès le milieu du xixe s. D'abord rectangulaire ou trapézoïdal, leur profil est aujourd'hui triangulaire. Le sommet du triangle est établi au niveau de la retenue maximale et généralement coiffé d'un couronnement rectangulaire, de largeur variable. Le parement amont est vertical ou presque, le parement aval est incliné de telle sorte qu'à chaque niveau l'épaisseur corresponde aux 8/10 de la hauteur comprise entre le sommet du barrage et le niveau considéré.

Le barrage-poids résiste théoriquement à la poussée de l'eau par l'effet de sa seule masse ; c'est elle qui l'empêche de basculer ou de déraper sur sa base. Mais il est très sensible aux surcharges accidentelles et à la pression des eaux souterraines (sous-pression). Pour diminuer ces dernières, on procède bien souvent à un double écran : injections de ciment à l'amont pour obturer les passages d'eau, drainage en aval des injections pour décharger les pressions résiduelles.

Ce type de barrage n'est plus guère employé que dans les vallées très larges. Il est concurrencé de plus en plus par le barrage-voûte, beaucoup moins onéreux.

Les barrages-voûtes sont des ouvrages extrêmement sûrs : à ce jour, un seul barrage de ce type a été ruiné, sans toutefois que la voûte soit mise en cause. Leur origine est assez lointaine et remonterait au xiiie s. Il faut toutefois attendre le début du xxe s. pour que le nombre des barrages-voûtes se multiplie dans tous les pays du monde.

Le barrage-voûte, ouvrage à courbure convexe tournée vers l'amont, résiste à la poussée de l'eau en s'arc-boutant sur les rives, auxquelles il transmet les efforts. C'est donc de la résistance mécanique du béton et de la roche d'appui que dépend la sécurité.

Sa forme (hauteur, largeur à la base, inclinaison par rapport à son axe), sa courbure (simple ou double) et son épaisseur varient en fonction des choix du concepteur, de son expérience mais surtout du profil et de la largeur de la vallée. Si généralement les volumes de béton à mettre en place sont minimisés, il existe cependant des cas où, pour des raisons de qualité de rocher, de facilité d'exécution, les épaisseurs sont systématiquement augmentées, l'incurvation demeurant la même. Ce type de barrage est appelé « voûte épaisse ».

Les barrages à contreforts et à voûtes multiples sont composés de deux éléments : les « contreforts », constitués par une série de murs parallèles à l'axe de la vallée, et une « bouchure » entre contreforts, constituée soit de dalles planes, soit d'épaississements des contreforts à leur extrémité amont formant une paroi continue, soit de voûtes en forme de demi-cylindres.

La résistance à la poussée de l'eau est demandée essentiellement aux contreforts, calculés comme des tranches de barrage-poids. De profil généralement triangulaire, ils ont, quand ils sont de faible épaisseur, un parement amont à forte inclinaison. Cette disposition permet d'améliorer la stabilité de l'ouvrage en prenant en compte le poids de l'eau.

L'épaisseur et la distance entre axes des contreforts sont toutefois extrêmement variables. La tendance actuelle consiste à réaliser des contreforts de plusieurs mètres d'épaisseur, moins inclinés, donc plus faciles à exécuter, et espacés de 50, 60, 80 mètres. Le barrage Daniel-Johnson, au Canada, en est un exemple.

Les barrages en matériaux meubles

Les barrages en terre font partie des premiers ouvrages d'art réalisés par l'homme. Le développement des engins de terrassement et de compactage et une meilleure connaissance de la mécanique des sols permettent de réaliser de nos jours des ouvrages importants (jusqu'à 100 m de hauteur ou 10 millions de m3 de remblais) dans des conditions économiques intéressantes.

Leur profil est très variable et dépend essentiellement de la nature et des propriétés des matériaux disponibles au voisinage du site. On distingue le barrage homogène, constitué pour l'essentiel d'une seule sorte de terre compactée aussi imperméable que possible, et le barrage à zones, fait de plusieurs sortes de terre de perméabilités différentes.

Les barrages en terre sont très sensibles à l'érosion par l'eau. Certaines précautions sont donc à prendre préventivement comme la surélévation de la crête théorique du barrage pour compenser le tassement des matériaux, la mise en œuvre de filtres et drains pour éviter les risques d'entraînement de terre dus à des circulations d'eau à l'intérieur du barrage, enfin l'adoucissement du talus amont pour parer à son instabilité lors des changements du niveau de retenue.

Les barrages en enrochements sont constitués d'éléments rocheux de toutes dimensions (« tout-venant » de carrière), l'étanchéité étant assurée par un organe souple placé soit sur le parement amont (masque réalisé en béton armé ou en produits noirs), soit dans le corps du barrage (écran constitué d'un noyau en terre « imperméable »).

La principale difficulté de ce type de barrage provient des tassements dus à l'écrasement et au dérapage des blocs entre eux. Survenant lors de la construction et se poursuivant après, ils peuvent mettre en péril l'organe souple d'étanchéité. Pour accélérer le tassement, les blocs constitutifs du barrage sont arrosés intensément afin de lubrifier leurs contacts.

Ouvrages annexes

Ces ouvrages sont installés sur une rive ou dans une tour élevée dans la retenue ; dans le cas d'un barrage en béton, ils peuvent en outre être situés sur le parement amont.– Les ouvrages de prise d'eau et de vidange. Les premiers servent à alimenter les turbines ou un réseau d'irrigation, les seconds permettent les visites périodiques du parement amont. Constitués d'une trompe d'entrée, munie d'une vanne d'arrêt, ils sont prolongés par des conduites forcées traversant le barrage (en béton) ou tracées dans une rive.– Les évacuateurs de crue. Dimensionnés, avec des marges de sécurité importantes, de façon à pouvoir évacuer la crue maximale, ils commencent généralement par un « déversoir » dont l'arase supérieure est soit au niveau de la retenue (seuil à écoulement libre), soit à un niveau inférieur : il est alors muni de vannes de réglage. Passé le déversoir, l'eau est ensuite évacuée vers l'aval soit au travers de galeries, ou chenaux, soit en chute libre. À la restitution, là où la puissance est maximale, il faut éviter l'érosion du lit du cours d'eau et de ses rives, pouvant mettre en péril les fondations du barrage. Une des solutions, appelée « saut de ski », consiste à envoyer le flot loin du pied de l'ouvrage en le lançant en l'air afin de dissiper une grande partie de l'énergie durant le trajet aérien.

Construction, surveillance et sécurité

La réalisation d'un barrage nécessite, en premier lieu, l'assèchement d'une partie du lit du cours d'eau, le traitement et la préparation du sol de fondations.

Dans la plupart des cas, le cours d'eau est dérivé dans des galeries souterraines percées dans les rives, et l'emplacement du futur ouvrage est isolé par deux barrages provisoires appelés « batardeaux ». On peut alors procéder, si nécessaire, aux injections d'étanchéité et de consolidation des terrains de fondation : du coulis de ciment ou d'autres produits remplit les vides existants, améliorant la portance du sol et réduisant les venues d'eau. Des trous de drainage sont ensuite forés en aval du rideau d'injections, là où des sous-pressions sont à craindre. Une fois la surface du sol préparée (décapage des couches superficielles, obturation des fissures ou préchargement de sols compressibles), le barrage peut enfin être exécuté : un barrage en béton se construit par plots de dimensions réduites séparés par des joints, clavés grâce à un remplissage de ciment réalisé une fois que le béton a pris son volume définitif ; un barrage en terre est réalisé par compactage de couches successives de matériaux extraits à proximité ; un barrage en enrochements est exécuté par déversement en vrac et arrosage des enrochements ou par compactage de couches horizontales de l'ordre du mètre.

Pendant la construction, lors de la première mise en eau du barrage puis au cours de sa vie, de nombreuses observations et mesures doivent être faites. Elles permettent de vérifier sa bonne tenue et d'assurer ainsi sa sécurité par une surveillance attentive et régulièrement répétée.

L'ouvrage et le terrain font l'objet d'examens visuels fréquents visant à détecter d'éventuelles fuites d'eau. Ces examens sont complétés par des mesures techniques précises des déformations et des écoulements.

Les mesures des déplacements des parties visibles de l'ouvrage (parement aval et couronnement) et de ceux de la surface de fondation sont effectuées à l'aide de méthodes topographiques de haute précision, de pendules ou de pendules inversés, installés dans des puits verticaux prévus à cet effet. Les déformations élastiques unitaires dont peuvent se déduire les contraintes dans le béton sont mesurées grâce à des extensomètres. Les observations relatives aux écoulements comportent principalement la mesure des sous-pressions, celle des circulations d'eau (pression, vitesse, débit…) et le contrôle des dispositifs de drainage.

Les capteurs de mesure mis en place au cours de la construction dans les ouvrages et les terrains doivent posséder, entre autres qualités, une fiabilité absolue à très long terme.