29/09/2011

Concevoir, réaliser et maintenir des barrages

8890380-soft-waterfall-from-the-dam.jpgLes barrages – souvent appelés «pyramides utiles» – font partie des plus grands ouvrages réalisés par l’homme. Depuis des milliers d’années, l’homme s’en sert pour l’utilisation de l’eau et la protection contre l’eau. Il n’est donc pas exagéré d’affirmer que les barrages jouent et joueront toujours un rôle essentiel pour l’homme puisqu’ils lui permettent d’assurer ses besoins vitaux en eau, en nourriture et en énergie, tout en respectant l’environnement et en garantissant la gestion durable des ressources. De tout temps, la construction de barrages a contribué au développement et à la prospérité économique.


Les barrages sont l’image forte de l’ingénieur civil. Cette réalité est encore particulièrement vive en Suisse, pays de barrages. Malgré leurs dimensions imposantes, ils ne constituent pourtant qu’une partie des ouvrages de génie civil par rapport aux autres types d’ouvrages comme les ponts, les tunnels, les routes ou les bâtiments. Aussi, un ingénieur de barrages a réellement le sentiment de construire quelque chose d’exceptionnel lorsqu’il est appelé à participer à la réalisation d’un tel ouvrage. Il aura en plus aujourd’hui la chance de pouvoir s’intégrer dans une équipe pluridisciplinaire composée notamment de géologues, d’hydrologues, d’électroniciens, de mécaniciens, de géomètres, d’environnementalistes, d’économistes voire de juristes.

Avec environ 200 grands barrages en exploitation, la Suisse dispose d’une longue tradition dans le projet et la réalisation de barrages. Plusieurs sociétés d’ingénierie sont actives dans le domaine et leur marché couvre le monde entier. Les ingénieurs suisses ont ainsi acquis une renommée mondiale dans le domaine. Depuis les années 1960, plus de 150 grands barrages ont été construits dans le monde entier avec la participation de spécialistes suisses. La Suisse peut donc aujourd’hui être considérée comme un pôle de compétence dans le domaine, avec des équipes d’ingénieurs disposant d’une vaste expérience dans la conception et la construction, mais aussi dans l’exploitation et la maintenance des barrages.

Par leur complexité, les barrages, imposantes constructions du génie civil, peuvent être considérés comme des ouvrages particuliers. Ils présentent par ailleurs la caractéristique de pouvoir être affectés à différentes fonctions. Ils jouent cependant deux rôles principaux: celui, d’une part, de stocker les apports d’eau afin de répondre aux besoins vitaux et économiques des populations (eau potable, irrigation, fourniture d’énergie, navigation) et celui, d’autre part, de protection contre des effets destructeurs de l’eau (maîtrise des crues, rétention de sédiments, protection contre les avalanches) ou de recours pour le cas de pénurie en eau.

En ce qui concerne l’historique, les premiers barrages importants sont nés avec les premières civilisations de l’Antiquité, en particulier dans la vallée du Nil, en Mésopotamie, en Chine et en Asie du Sud. Au cours du temps, la technique des barrages s’est bien entendu développée et des progrès sensibles ont été réalisés en ce qui concerne, entre autres, le mode d’exécution et la sécurité. Le nombre et la hauteur des ouvrages de retenue n’ont donc pas cessé de croître.

En Suisse, c’est vers le XVe siècle que les premiers ouvrages de dimensions modestes destinés à la pisciculture et au fonctionnement de moulins ont été construits. Aux XVIIIe et XIXe siècle, une période d’essor économique et de révolution industrielle a favorisé l’évolution des barrages. Puis, au cours du XXe siècle, surtout entre 1950 et 1970, la construction de barrages intégrés à des aménagements hydroélectriques a fortement contribué à la croissance de la production d’électricité.

Les matériaux généralement utilisés pour la construction des barrages sont des sols naturels meubles ou des enrochements (barrages en remblai) et le béton conventionnel (barrages poids, voûte, à contreforts) ou compacté au rouleau (avant tout, barrages-poids). Il existe donc plusieurs profils d’ouvrages selon les matériaux choisis, qui doivent être disponibles en quantité suffisante à proximité des sites. On trouve dans le chapitre 3 une description des différents types de barrages.

Définitions

Les barrages sont, par définition, des ouvrages hydrauliques qui barrent sur toute la largeur une section d’une vallée et créent ainsi une cuvette artificielle géologiquement étanche. de manière générale et dans la plupart des cas, la hauteur du barrage dépasse le niveau d’eau atteint par les cours d’eau en période de forte crue.

Fondamentalement, les barrages ont deux effets caractéristiques :

• La retenue d’eau créée par la présence du barrage peut le plus souvent contenir une part importante des apports d’eau directs ou dérivés, de même que des matériaux charriés, de la glace ou de la neige.
• Le barrage surélève le niveau du plan d’eau à l’amont.

Au sens de la réglementation suisse (OSOA, 1998), un ouvrage d’accumulation englobe un barrage (ouvrage de retenue) et une retenue (ou bassin d’accumulation). Par ailleurs, la sécurité des ouvrages d’accumulation prend également en compte les fondations du barrage et les flancs du bassin d’accumulation.

Des ouvrages singuliers

Les barrages sont des ouvrages de génie civil singuliers par bien des points :

• Ce sont des structures complexes qu’il faut traiter comme des systèmes. Leurs études et réalisation prennent en compte un grand nombre de paramètres et de données. Chaque barrage doit être considéré comme un prototype. Aucune procédure bien définie pour déterminer la meilleure solution n’existe. La démarche est pragmatique, évolutive, systématique et récursive. Elle fait appel à de nombreuses hypothèses qui sont au fur et à mesure perfectionnées et vérifiées.
• Le comportement d’un barrage durant son cycle de vie est complexe. Il dépend de plusieurs phénomènes et facteurs plus ou moins bien définis : la modification des caractéristiques des matériaux (vieillissement), la tenue de la fondation (souvent partiellement connue), les conditions météorologiques et thermiques (variables), les effets chimiques de l’eau, les sollicitations sismiques (imprévisibles), les risques hydrologiques et le mode d’exploitation de la retenue. Cette complexité est maîtrisée par la mise en œuvre de modèles appropriés pour l’ouvrage lui-même et pour sa fondation, ainsi que pour les influences que subit l’ouvrage de la part de son environnement.
• Finalement, les exigences quant à la sécurité des barrages sont extrêmes. Elles sont présentes dans toutes les phases d’un projet: la planification, la conception, la réalisation et l’exploitation. La période d’exploitation est certainement la plus sensible en termes de sécurité des populations. Pour cette raison, quasiment tous les pays du monde ont prescrit des règles institutionnelles pour la surveillance des ouvrages par un contrôle permanent et l’analyse du comportement.

Le rôle des barrages

Par la construction de barrages, l’homme influence de manière prépondérante l’écoulement naturel des eaux de ruissellement. Quatre raisons principales peuvent justifier cette intervention :

• La création d’une retenue. Selon le volume utile de la retenue, le débit des apports et le mode d’utilisation de l’eau stockée, on distinguera les accumulations journalières, hebdomadaires, saisonnières ou intersaisonnières.
• La régulation des apports. Dans la plupart des régions du monde, les précipitations sont concentrées sur des périodes courtes. Ces apports sont souvent très irréguliers d’une année à l’autre alors que les besoins en eau sont répartis de manière beaucoup plus homogène sur l’année. Il s’ensuit donc une succession de périodes de pénurie et d’excès que seule la réalisation d’une retenue permet de compenser. Par ailleurs, la régulation permet de prévenir des inondations en cas de crue.
• La surélévation du plan d’eau d’une rivière. La mise en place d’un barrage en travers d’un cours d’eau a pour effet de surélever le plan d’eau à l’amont. Cet effet est bien entendu utilisé pour la production hydroélectrique, mais également pour gérer la dérivation des eaux d’une rivière vers une prise d’eau, puis un canal d’amenée pour l’irrigation ou l’alimentation en eau potable.
• La création d’un plan d’eau. La réalisation d’un lac artificiel permet de disposer d’une surface qui peut entre autres être destinée aux loisirs, au tourisme, à la pisciculture, à la navigation, à la protection incendie.

Les particularités de la construction des barrages

De par leurs dimensions et les impacts sur l’environnement qu’ils occasionnent, les barrages sont des structures exceptionnelles, dont les modes de réalisation sont parfois très éloignés des autres structures du génie civil.

En premier lieu, les études préliminaires sont particulièrement importantes et coûteuses. Elles traitent d’un éventail très vaste de domaines : l’hydrologie, la géologie, l’hydrogéologie, l’hydraulique, la science des matériaux, la topographie, la géographie, la biologie, la chimie, l’économie rurale, l’économie énergétique, l’économie hydraulique, la sociologie, le droit public, la politique de développement, les finances, et bien d’autres domaines. Ces études se distinguent souvent par leur durée, atteignant souvent plus d’une dizaine d’années.

Associés à ces études, des travaux de reconnaissance approfondie doivent aussi être entrepris : relevés topographiques, reconnaissances géologiques (géophysique, sondages, galeries de reconnaissance), essais géotechniques (puits, essais in situ et en laboratoire).

L’analyse des impacts sur l’environnement est entreprise très tôt pour évaluer les différentes solutions, puis pour prendre des mesures de limitation des impacts ou de compensation.

Les moyens nécessaires pour la réalisation posent de véritables problèmes de logistique et d’organisation de chantier. Il faut notamment tenir compte dès le début des études des accès, de l’approvisionnement, des installations de chantier, des équipements, de la qualification de la main-d’œuvre, de la durée du chantier et de bien d’autres paramètres propres à tel ou tel site.

En outre, la démesure des quantités de matériaux nécessaires a une influence considérable sur la durée, les moyens à mettre en œuvre et sur les paramètres techniques du projet. Il ne s’agit pas, comme avec d’autres types de structures, de trouver des matériaux satisfaisant aux critères ou normes fixés comme données du projet, mais de définir un ouvrage pouvant être réalisé avec les caractéristiques des matériaux à disposition. Ainsi, chaque barrage est unique parce que réalisé avec des matériaux qui lui sont propres.

Un chantier de barrage dure plusieurs années. Les différents travaux doivent être exécutés dans une séquence précise, souvent conditionnée par les conditions hydrologiques et météorologiques. Ces conditions impliquent un découpage des travaux en phases selon les moyens disponibles. Ce découpage peut avoir une influence directe sur le projet.

Enfin, il faut mentionner que quel que soit le type de barrage, les exigences relatives à la sécurité sont primordiales durant toute la vie de l’ouvrage. Les barrages sont continuellement auscultés et soumis à une surveillance attentive. Les résultats de l’auscultation et les observations de la surveillance sont constamment analysés dans le cadre des procédures de contrôle.

Critères d’évaluation d’un aménagement à accumulation

En général, les critères d’évaluation d’un aménagement sont les suivants:

• Technique : est-ce que les objectifs purement techniques peuvent être atteints par un aménagement ?
• Economique: est-ce que les bénéfices en cas de réalisation d’un aménagement sont supérieurs à ceux en cas de renoncement au projet ?
• Financier: est-ce que les moyens financiers sont suffisants (pendant la construction d’un aménagement et lors de son exploitation) ?
• Politique: est-ce que le projet est soutenu par les instances politiques et les populations concernées ?
• Sociétal : est-ce que les utilisateurs potentiels peuvent tirer profit de ce projet ?
• Environnemental: est-ce que l’impact du projet sur l’environnement et l’utilisation du territoire est défendable ?

La faisabilité d’un aménagement résulte certainement du résultat de l’étude de ces critères. Les contre-indications à la réalisation d’un aménagement à accumulation peuvent être écartées en étudiant si le projet est :
• techniquement réalisable,
• économiquement justifiable,
• socialement acceptable,
• écologiquement défendable.

Enfin, les points suivants doivent être pris en compte :

• les conditions physiques du site doivent être telles que la réalisation des ouvrages, avec des moyens techniques à disposition, soit possible et les objectifs prévus soient atteints ;
• les coûts de réalisation, d’exploitation et d’entretien doivent être en rapport avec le gain provenant de la production ;
• l’atteinte au milieu naturel et aux populations concernées doit être compatible au gain réalisé.

> Pour en savoir plus

 Extrait du titre Les Barrages (TGC 17), Anton Schleiss
Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes

Les commentaires sont fermés.