Principes généraux de la modélisation de l’onde de rupture d’un barrage

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Principes généraux de la modélisation de l’onde de rupture d’un barrage

Introduction

L’étude de rupture d’un barrage passe par plusieurs étapes (Marche C. 2008) (Chiganne F. 2010). Après la collecte des données de l’ouvrage et du bassin, la première étape consiste à choisir un scénario de rupture qui est faite en fonction des caractéristiques structurelles du barrage, des spécificités du site et du niveau du plan d’eau au moment de la rupture.
Ensuite on procède à la modélisation du processus de la rupture elle -même et à la formation de l’écoulement au droit de la digue en d’autres termes estimer les paramètres de la brèche ; géométrie, temps de formation et débit maximal à l’ouvrage.
La troisième phase d’une étude de rupture de barrage est la prévision des écoulements résultants en aval, pour y faire plusieurs techniques sont disponibles, les plus récents viennent de la simulation numérique des équa tions des écoulements en eaux peu profondes.
Dans ce chapitre nous allons aborder toutes ces étapes, nous allons analyser les techniques simples ou complexes disponibles à l’heure actuelle en signalant les sources d’erreurs. Le but est d’établir une approche à suivre pour permettre une prise en main rapide du sujet lors de futurs cas.

Choix des scénarios de rupture

L’étude de rupture d’un barrage a pour but de déterminer l’impact d’un tel accident sur les infrastructures situées en aval de l’ouvrage. Elle s’agit d’une des principaux volets de l’étude de sécurité d’un barrage. (Hossaini N. 2009)
Les études de rupture de barrages sont portées sur des situations hypothétiques. Leur probabilité de réalisation est extrêmement faible, de plus chacune de ces situations s’appuie sur un contexte et de multiples conditions très précises. (Marche C. 2008), (Bischof R., et al. 2002).
Le choix des scénarios de rupture est toujours difficile à définir. Un barrage est souvent inséré dans un système complexe où il peut être soumis à plusieurs risques qui peuvent causer sa rupture, ces risques peuvent être d’ordre naturel par exemple les crues, le tremblement de terre, la poussée de la vase, le vieillissement et la dégradation des structures en béton, ou bien des risques liés aux erreurs humaines dans la conception, la gestion ou dans l’entretien de l’ouvrage. L’analyse de ces risques doit permettre d’identifier les scénarios susceptibles d’être, directement ou par effet domino, à l’origine la rupture de l’ouvrage. (Marche C. 2008), (Paquier A. 2002).
Un facteur s’avère déterminant dans le choix des scénarios de rupture; les apports hydrologiques au site. En effet, l’état initial du bassin et des cours d’eau, l’état de mobilisation des exploitants et l’état de préparation à l’urgence des populations ne sont pas les mêmes lors d’une belle journée ensoleillée et après plusieurs jours de pluies diluviennes. (Marche C. 2008)
Un seul scénario suffit généralement pour donn er un portrait assez précis du développement de la situation associé à rupture en apports hydrologiques normaux. Il permet de comparer cette situation aux ruptures éventuelles attribuables au premier remplissage d’une nouvelle retenue, à un séisme ou à un acte de malveillance sur un ouvrage plus ancien. (Marche C. 2008)
Deux concepts sont à définir avant d’aborder les ruptures en période de crues, souvent liée à un manque de capacité effective au site : la crue de première rupture et les conséquences différentielles.
La crue de première rupture d’un aménagement est une crue dont l’hydrogramme des apports introduits au réservoir et laminés par celui -ci conduit à l’atteinte de la première condition de rupture sur l’un des ouvrages de l’aménagement. (Marche C. 2008)
On nomme conséquences différentielles de rupture l’augmentation des conséquences engendrées par la rupture par rapport aux conséquences qu’aurait eues la même crue dans la vallée s’il n’y avait pas de barrage. (Marche C. 2008)
Les scénarios de rupture en période de crue sont déterminés après une analyse hydrologique préalable portée sur le bassin versant aliment ant la retenue, cette analyse permet de déterminer les hydrogrammes des crues de faibles périodes de retour. Le laminage de ces crues selon le plan de gestion de l’ouvrage permet d’établir la crue de première rupture, appelée aussi la crue de sécurité de l’aménagement.
Le premier scénario de rupture hydrologique à considérer est celui d’une crue supérieure de quelques mètres cubes par seconde à la crue de première rupture, et ce, pour deux raisons. D’abord, c’est cette crue qui causera les plus forts dommages différentiels en aval; en outre, dans un calcul de risque conventionnel, elle aura la probabilité qui contribuera le plus au risque total de rupture. On étudie ensuite les écoulements de la crue naturelle combinée à la rupture le long de la vallée jusqu’en un point où les apports seront redevenus sans conséquence. (Marche C. 2008)

Modélisation de la rupture

Initiation de la crue de rupture à l’ouvrage

L’effacement d’un barrage peut être plus ou moins brusque. C’est essentiellement la nature du barrage qui conditionne l’allure de sa rupture potentielle, plus encore que les causes de cette rupture. (Marche C. 2008),
C’est ainsi qu’un barrage en béton est susceptible de se rompre quasi instantanément, comme une porte qui s’ouvre. Les ruptures des barrages-poids se produisent par renversement ou par glissement d’un ou plusieurs plots. Pour les barrages à contreforts, il est possible d’imaginer qu’un seul plot s’efface instantanément. Mais il est ensuite raisonnable de penser que les autres plots s’effacent rapidement, comme un château de cartes. Pour les barrages-voutes, le mécanisme de rupture le plus courant est la perte d’appui ou de fondation, l’effacement total et instantané est l’hypothèse la plus probable. (Marche C. 2008)
A l’opposé, la rupture d’un barrage en remblai ne peut pas être instantanée, car elle est due à des phénomènes d’érosion. Les accidents recensés à ce jour font état de modes de destruction, soit par suite d’un renard apparu dans le corps de l’ouvrage ou dans sa fondation, soit par déversement et érosion de la crête et du parement aval dû à une crue ou à l’onde de rupture d’un barrage amont (Marche C. 2008), ces deux modes de rupture supposent l’arrachement progressif et le transport des éléments constitutifs de l’ouvrage par l es écoulements et donc un démarrage assez lent et une accélération progressive pour parvenir à un équilibre dicté par le com portement de la retenue et les apports qui l’alimentent. La rupture du barrage Teton illustre ce type de rupture par érosion interne du corps de l’ouvrage.

Prévision des paramètres de la brèche

Pour estimer les conséquences d’une rupture de barrage pour un scénario choisi, on doit en premier lieu modéliser le processus de la rupture elle-même et la formation de l’écoulement au droit de la digue (Paquier A. 2002). Il est essentiel de connaitre au droit du barrage, la géométrie de la brèche, le temps de formation de la brèche ainsi que le débit maximal à l’ouvrage.
Plusieurs formules sont disponibles dans la littérature pour estimer ces paramètres, elles ont été généralement développées sur la base de données de laboratoire et de cas réels observés de rupture de grand barrage:
Les travaux théoriques de Ritter, supposant une retenue infinie et une rupture instantanée, donnent une première estimation du débit maximal à la brèche

Prévision de la propagation de la crue de rupture

La prévision de la propagation de la crue de rupture peut être abordée de multiples manières. Selon le cas, on aura recours aux approches théoriques, aux modèles numériques, aux similitudes sur modèle réduit et aux essais en nature, compte tenu des particularités du site, des objectifs visés et des ressources disponibles.
Dès le 19e siècle, on a développé les équations fondamentales et des solutions théoriques exactes du problème du bris de barrage, on les a améliorées jusqu’en 1970 environ. Ces équations désormais appelées « de Barré de Saint-Venant », sont encore aujourd’hui d’une extrême importance en hydraulique maritime ou fluviale et en particulier dans les études de propagation de crue de rupture de barrages, cependant l’utilisation des solutions théoriques pour les résoudre est de plus en plus limitée en raison de l’émergence et de la crois sance rapide des capacités de traitement et de résolution numériques. (Hervouet J. M. 2003)
Le recours à la modélisation numérique de la propagation des crues de rupture devient de plus en plus incontournable eu égard à leur capacité de prendre en compte le mode de rupture de l’ouvrage, la forme détaillée du cours des et des affluents, les effets aux frontières ainsi que les déférents phénomènes produits par les diverses singularités rencontrées le long de la vallée. Cependant, alors qu’une formule simple ne comporte que deux ou trois facteurs et un nombre de données réduit, les modèles numériques nécessitent, pour produire des résultats à la hauteur de leurs capacités, un grand nombre de données de qualité. La collecte d e ces données peut générer des coûts inconciliables avec les objectifs de l’étude. (Marche C. 2008)
Lorsque la vallée est trop accidentée ou bien a une pente trop forte les équations de Barré de Saint-Venant ne sont plus représentatives et il faut réaliser un modèle physique en similitude de Froude en général à l’échelle de géométrique 1/500 sans distorsion, ce qui permet de conserver le même régime d’écoulement turbulent sur le modèle et en nature. Les modèles physiques nécessitant plus de temps et de ress ources comparés aux autres techniques sont réservés à l’étude de zones particulières où les outils numériques s’avèrent moins fiables. (Marche C. 2008) Depuis quelques années, le démantèlement de quelques anciens barrages a permet aux groupes de recherche de faire des essais de rupture contrôlée (Projet IMPACT Breach Modelling Program, 2001-2004 en particulier) après instrumentation appropriée de l’ouvrage et de la vallée. Une technique se portant sur des cas plus représentatifs des situations réelles et donc peut apporter des données très importantes, cependant peu employée, car elle est très spécifique et orientée vers la validation des autres outils. (Marche C. 2008) (Paquier A. 2002)

Conclusion

La prévision du processus de rupture au droit d’un barrage ainsi que celui de la propagation de l’onde de rupture dans la vallée située en aval sont des étapes importantes de l’étude de sécurité d’un ouvrage. Pour chacun des scénarios de rupture initialement retenus, ils permettent de dresser un portrait hydraulique des crues de rupture que l’ouvrage pourrait engendrer et de définir les zones à risque impactées par l’onde de rupture du barrage ainsi que toutes les informations nécessaires pour la création des plans d’alerte et d’intervention pour la gestion des risques qui peuvent être encourus.
Il est important de signaler que les études de rupture de barrages comportent plusieurs sources d’incertitudes qui peuvent mettre en question la validité des résultats obtenus par une analyse d’un scénario choisi, certainement les plus importants sont les valeurs paramètres retenus pour définir la brèche, en effet ces paramètres ont une incidence importante sur le débit évacué et sur l’inondation engendrée à proximité du barrage. Ces valeurs perdent progressivement de leur influence à mesure que l’onde progresse vers l’aval ».
D’autres paramètres ont aussi une incidence sur la crue de rupture nous citons la forme de la vallée, les coefficients de rugosité, le volume et la forme du réservoir … etc., il convient par conséquent avant de choisir l’outil de prévision de la propagation de l’onde résultante, de connaître les possibilités et les limites de chaque outil et d’évaluer comment les simplifications associées à chaque outil risquent d’altérer la fiabilité de la description d es événements.

Présentation des modèles numériques HEC -RAS et MIKE 11

Introduction

Les risques résultants de la rupture d’un barrage sont dus à la propagation d’un énorme volume d’eau avec de grandes vitesses capables de causer des dégâts majeurs. Le phénomène clé à étudier est donc l’onde de rupture résultante, comme on l’a exposé dans le chapitre précédent. Divers outils ont été mis en place pour le faire, les plus récents, viennent de la simulation numérique des équations de Saint-Venant. (Paquier A. 2002), (Mihoubi M.K., et al. 2012).
Les modèles numériques employés dans cette étude HEC-RAS et MIKE 11 basés sur ces équations sont parmi les modèles les plus utilisés dans les études d’inondations au cours des dernières décennies , leur emploi dans les études des ruptures de barrages peut permettre économiser du temps et des ressources considérables , cependant l’utilisateur doit avoir une esquisse des équations qui constituent la base de ces modèles, de leur domaine de validité et des approximations faites pour obtenir ces équations.
Il doit également avoir une idée sur les modifications apportées à ces équations dans ces deux modèles, sur les techniques de résolutions employées et sur les théories associées aux débits de brèche. Enfin, prendre en considération les avantages et les inconvénients que procure l’utilisation de HEC-RAS et MIKE 11.

Équations de Saint-Venant

Présentation et bref historique

Les crues de rupture de barrage sont des écoulements à surface libre, non permanents, non uniformes à composantes principales horizontales. Les équations de Saint -Venant décrivent leur passage et leur transformation à travers les différentes sections de la vallée, appelés laminage de la crue de rupture. (Marche C. 2008).
Ces équations ont été introduites en 1871 dans un Compte Rendu à l’Académie des Sciences rédigé par l’ingénieur des Ponts et Chaussées Adhémar Jean -Claude Barré de Saint-Venant. Dans sa version initiale, le système d’équations décrivait l’écoulement dans un canal rectangulaire à fond horizontal en une dimension d’espace. (Hervouet J. M. 2003)
Ces équations découlent de l’application des lois de conservation sur un élément fluide sous l’hypothèse d’eau peu profonde. Il faut également souligner que ces équations aux dérivées partielles peuvent être trouvées par l’adaptation des équations de Navier-Stokes en les moyennant suivant la direction verticale. (Ata R. 2007)

Obtention des équations

Équation dynamique

Dans l’application de deuxième principe Newtonien pour les problèmes de base de l’hydraulique à surface libre, on a besoin dans ce qui suit de définir un volume de contrôle, Figure 1.3. Volume de contrôle et notations
Le volume de contrôle ainsi défini, est un inconnu de perte d’énergie et / ou une force qui agit sur la circulation entre les sections 1 et 2, le résultat est un changement dans la dynamique linéaire de l’écoulement. Dans de nombreux cas, ce changement est accompagné par un changement dans la profondeur de l’écoulement. (Debiane k. 2008)

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 : Barrages, ruptures de barrages et conséquences
Introduction
1. Les barrages
1.1. Définition
1.2. Les différents types de barrages
1. 3. Rôle des barrages
2. Rupture de barrage
2.1. Les causes de rupture
2.2. Ruptures documentées
2.3. Le cas Algérien
Conclusion
Chapitre 2 : Principes généraux de la modélisation de l’onde de rupture d’un barrage
Introduction
1. Choix des scénarios de rupture
2. Modélisation de la rupture
2.1. Initiation de la crue de rupture à l’ouvrage
2. 2. Prévision des paramètres de la brèche
3. Prévision de la propagation de la crue de rupture
Conclusion
Chapitre 3 : Présentation des modèles numériques HEC-RAS et MIKE 11
Introduction
1. Équations de Saint-Venant
1.1. Présentation et bref historique
1.2. Obtention des équations
2. MIKE11
2.1. Description générale du Modèle
2.2. Les équations utilisées par le modèle MIKE 11
2.3. Technique de résolution numérique des équations de mouvement
3.4. Théorie associée aux débits de brèche
2.5. Avantages et inconvénients
3. HEC-RAS
3.1. Description générale du Modèle
3.2. Les équations utilisées par le modèle HEC-RAS
3.3. Technique de résolution numérique des équations de mouvement
3.4. Théorie associée aux débits de brèche
3.5. Avantages et inconvénients
Conclusion
Chapitre 4 : Présentation de la zone d’étude
Introduction
1. Situation géographique :
2.Caractéristiques de la vallée du Saf-Saf
2.1. Généralités
2.2.Topographie
2.3. Population
3. Ancien barrage
3.1. Généralité
3.2. Historique de l’ancien barrage
3.3. Exploitation de l’ancien barrage
4. Barrage surélevé
4.1. Motifs de la surélévation
4.2. Études de surélévation
4.3. Dimensions principales
4.4. Les ouvrages hydrauliques
5. Conditions de fondation du barrage
6. Capacité de la retenue et envasement
7. Niveaux d’exploitation
8. Analyse de sécurité de l’ouvrage
Conclusion
Chapitre 5 : Modélisation du régime de crues du bassin versant de l’oued Saf-Saf
Introduction
1. Bassin versant
1.1. Situation géographique
1.2. Les altitudes
1.3. Les pentes
1.4. Réseau hydrographique
1.5. Temps de Concentration :
1.6. Équipement hydro-pluviométrique du bassin :
2. Étude des précipitations
2.1. Données disponibles
2.2. Variabilité des précipitations
2.3. Étude fréquentielle des pluies maximales journalières
2.4. Passage des pluies ponctuelles aux pluies de bassin
3. Étude des crues
3.1. Données disponibles
3.2. Synthèse sur les données disponibles
3.3. Évaluation des crues rares dans le bassin du Saf-Saf
3.4. Construction des hydrogrammes des crues rares :
Conclusion
Chapitre 6 : Simulation de l’onde de rupture du barrage des Zardézas à l’aide des modèles numériques HEC-RAS et MIKE 11
Introduction
1. Méthode
2. Construction des modèles
2.1. Géométrie de la vallée
2.2. Paramétrage des modèles
3. Résultats et discussion
3.1. Débit à l’ouvrage
3.2. Évolution du débit
3.3. Profil des niveaux d’eau maximums :
3.4. Vitesses maximales atteintes :
3.5. Hydrogrammes de crue en aval du tronçon modélisé:
4. Analyse de sensibilité des résultats
4.1. Sensibilité des résultats de MIKE11 à différents paramètres de modélisation
4.2. Sensibilité des résultats de HEC-RAS à différents paramètres de modélisation
4.3. Interprétation des résultats:
Conclusion
Chapitre 7 : Élaboration d’un plan particulier d’intervention en cas de rupture du barrage des Zardezas
Introduction
1. Définition d’un plan particulier d’intervention (PPI)
2. Cartes d’inondation
3. Temps d’arrivée de l’onde de rupture
4. Le zonage
4.1. La zone de proximité immédiate ou la Zone du Quart d’heure
4.2. La Zone d’inondation spécifique
4.3. La zone d’inondation
5. L’alerte :
5.1. Signal d’alarme pour l’état de pré alerte
5.2. Signal d’alarme pour l’état d’alerte générale :
5.3. La fin d’alerte
6. L’évacuation
7. Quelques consignes pour la population
Conclusion
Conclusion Générale
Liste des references
Annexes