barrage.

barrage. 1 PRÉSENTATION barrage, ouvrage artificiel disposé en travers d'un cours d'eau pour arrêter son écoulement, créer une retenue ou élever le niveau de l'eau en amont. Plusieurs objectifs conduisent à la construction d'un barrage : concentrer la pente naturelle d'une rivière dans un site donné, rendant ainsi possible la production d'électricité à partir de l'énergie potentielle de l'eau (énergie hydroélectrique) ; stocker, puis amener l'eau des rivières vers des canaux et des systèmes d'irrigation ; augmenter la profondeur des rivières pour la navigation ; contrôler le débit de l'eau pendant les périodes de sécheresse et de crue ; créer des lacs artificiels destinés aux loisirs. De nombreux barrages cumulent plusieurs de ces fonctions. 2 HISTORIQUE Le premier barrage connu a été construit en Égypte, vers 4000 av. J.-C., pour faire dévier le Nil afin de créer un site pour la ville de Memphis. De nombreux barrages en terre ont été bâtis durant l'Antiquité (notamment par les Babyloniens), pour former des systèmes d'irrigation élaborés, qui ont permis de rendre fertiles des régions jusquelà improductives et d'alimenter en eau d'importantes populations. Par la suite, l'homme a eu l'idée d'utiliser l'énergie des cours d'eau pour faire tourner des moulins et des machines à eau. En raison des ravages provoqués par les inondations périodiques, peu de barrages vieux de plus d'un siècle sont encore en fonction. La construction de barrages durables, d'une hauteur et d'une réserve plus conséquentes, est devenue possible grâce à l'usage du ciment, du béton et de la mise au point d'engins de terrassement et de transport de matériaux. Dernièrement, de nouveaux types de barrages sont apparus, comme celui de l'usine marémotrice de la Rance en France, qui retient l'eau de mer amenée par la marée. Aujourd'hui, il existe dans le monde plus de 35 000 barrages d'une hauteur supérieure à 15 m, et plus de 1 500 grands barrages sont en construction. 3 CONCEPTION Les conséquences d'une rupture de barrage étant très graves, ces édifices doivent être conçus minutieusement avec d'importantes marges de sécurité, puis surveillés en permanence pendant et après leur réalisation. 3.1 Sécurité La conception d'un barrage doit tenir compte des caractéristiques hydrologiques, topographiques et géologiques du milieu où il sera construit. On doit, par exemple, considérer les apports moyens en eau et leurs fluctuations saisonnières ; les caractéristiques topographiques concernent essentiellement l'adaptation du barrage au relief ; on doit également tenir compte des risques de séisme : des analyses rigoureuses sont effectuées sur les fondations naturelles et la cuvette à remplir, qui doivent être étanches et avoir la résistance nécessaire pour supporter le poids du barrage, ainsi que celui de l'eau. Tout défaut d'étanchéité, à l'intérieur ou sous un barrage, doit être prévenu afin d'éviter des pertes d'eau, mais surtout pour empêcher l'affouillement (érosion) de la structure elle-même. Les géologues mesurent également la profondeur à laquelle se trouve le sol rocheux de fondation, sous la couche alluviale. Un barrage doit être construit de façon à résister aux forces auxquelles il est soumis : la gravité -- qui tend à provoquer son affaissement sous l'effet de son propre poids --, la pression hydrostatique exercée par la retenue d'eau sur toute la hauteur de l'édifice et sur ses fondations (sous-pression), les pressions interstitielles au sein du massif, les tensions et les contraintes des matériaux constituant l'ouvrage. La sécurité concerne également l'appareillage mécanique ou électrique qui permet de réguler le niveau de la retenue, de réaliser la dérivation de l'eau et l'évacuation des crues, d'amener éventuellement l'eau vers une unité de production hydroélectrique, ou encore le passage des bateaux (écluse). 3.2 Autres critères L'objectif premier d'un barrage étant la production d'électricité (hydroélectricité), la hauteur de l'ouvrage est cruciale, car la puissance fournie augmente avec la hauteur de l'eau retenue. Pour les barrages chargés de contrôler les inondations, le volume de la réserve est la considération première. La hauteur d'un barrage est essentiellement limitée par la topographie du site, mais peut être affectée par d'autres facteurs. Des facteurs limitatifs peuvent être pris en compte, comme les répercussions écologiques et l'interférence de l'ouvrage avec les autoroutes et les voies ferrées. Il est généralement préférable que le lac de retenue formé par un barrage soit très étendu et peu élevé. Dans le cas du lac Kariba, ce lac est situé à 125 m au-dessus du lit du Zambèze. Rempli entièrement en 1963, il a une longueur de 282 km, couvre 5 180 km2, et contient environ 163 milliards de m3 d'eau. 4 CONSTRUCTION 4.1 Le barrage La construction d'un barrage nécessite la mise à sec et la préparation des fondations. L'assèchement est réalisé au moyen d'un ou de plusieurs batardeaux, digues ou barrages provisoires, généralement réalisés en enrochements ou constitués d'un barrage-voûte de faibles dimensions. Les aménagements sont érigés en amont, et parfois de chaque côté de l'emplacement de l'ouvrage. Ils détournent la rivière pendant la construction au moyen de conduites, de galeries ou de canaux de dérivation. Les tunnels ainsi formés sont souvent transformés et réutilisés après l'achèvement de l'ouvrage. Si les conditions topographiques empêchent la réalisation de canaux de dérivation, un barrage peut être construit en deux étapes. On établit alors un batardeau sur la moitié de la largeur de la rivière, pendant la construction de la partie basse du barrage. Ce batardeau est ensuite enlevé et un second est établi autour de la partie opposée du site. L'élaboration de grands barrages peut s'étendre sur une période dépassant la dizaine d'années. La possibilité d'inondations importantes pendant la période de détournement est un risque à envisager. Le gigantesque projet hydroélectrique chinois des « Trois Gorges du long fleuve «, dont la construction sur le Yang-tseu-kiang s'est achevée en 2006, a donné naissance au plus grand barrage du monde (2,3 km de long, 185 m de haut, et la formation en amont d'un lac artificiel de plus de 600 km de long). Si le barrage des Trois-Gorges devrait permettre d'éviter les inondations et d'augmenter considérablement la production d'énergie hydroélectrique chinoise lors de sa mise en service en 2009 (environ 85 milliards de kWh par an, soit la capacité de production électrique annuelle de 18 centrales nucléaires), sa construction implique l'évacuation et le relogement d'environ 2 millions de personnes habitant dans la zone inondable. De plus, la construction de l'ouvrage a également des répercussions écologiques (érosion accrue des berges, déséquilibre de l'écosystème de la région, etc.) et culturelles (engloutissement de sites archéologiques, etc.). 4.2 Les bassins de rétention L'eau qui retourne à la rivière en aval du barrage ne doit pas avoir la possibilité de creuser ou d'éroder ni le lit de la rivière, ni d'affecter la fondation du barrage par effet de cavitation. Ainsi, des plans d'eau, appelés bassins de rétention, sont prévus pour réduire la vitesse de l'eau, et donc son énergie cinétique. Ces bassins constituent un élément majeur du barrage. Le bassin en tablier et le bassin à chocs sont des structures courantes, permettant de diminuer l'énergie élevée de la chute de l'eau. Dans le bassin-tablier, la vitesse importante du courant peu profond issu du barrage est transformée en courant profond de faible vitesse, qui se décharge le long d'un tablier en béton horizontal ou en pente, s'étendant en aval à partir de la base du barrage. Dans le type de construction avec bassin à chocs, l'extrémité du barrage est formée de manière à détourner le débit important vers le haut, loin du lit de la rivière. La « secousse « résultante limite l'énergie destructrice de l'eau ( voir érosion). 4.3 Surveillance de l'ouvrage On doit repérer les fuites et les suintements éventuels, ainsi que les déformations et les fissures : il s'agit de l'auscultation de l'ouvrage, qui s'effectue après l'achèvement des travaux et parfois même au cours de la construction. On utilise des procédés topographiques pour déterminer les zones de déplacement superficielles de l'ouvrage ; on mesure les déplacements internes au moyen de tassomètres et de clinomètres pour les barrages en matériaux meubles, et par pendule pour les ouvrages en béton ; on évalue les déformations, les débits de fuite, les pressions interstitielles, les contraintes. 5 OUVRAGES ANNEXES Un barrage est érigé avec des ouvrages annexes, qui assurent l'évacuation des crues, la vidange et la prise d'eau. 5.1 Évacuateurs de crues ou déversoirs Lorsque le niveau normal du réservoir de retenue est atteint, des déversoirs sont prévus pour garantir le non-dépassement de ce niveau. Ils doivent laisser passer sans dommage les plus grosses crues. Ainsi, on les appelle parfois des évacuateurs de crues. Un déversoir est donc nécessaire pour évacuer le surplus du débit sans risquer d'endommager le barrage, la centrale électrique ou le lit de la rivière en aval du barrage. Le type le plus courant de déversoir est le dégorgeoir. Pour permettre une utilisation maximale du volume de la réserve, des vannes mobiles sont parfois installées au-dessus de la crête (sommet du barrage), afin de réguler le surplus. Dans les barrages, comme celui du Mississippi, les déversoirs de crues ont une telle importance que le dégorgeoir occupe la largeur entière du barrage, et la structure globale apparaît comme une succession de piles verticales, supportant des vannes mobiles. La glissière, autre type de dégorgeoir, est un large chenal à pente douce en béton, construit généralement aux extrémités d'un barrage de remblai de hauteur moyenne. Le type de déversoir dépend parfois de la topographie du site sur lequel le barrage est construit. Dans les vallées étroites, par exemple, les parois des barrages sont généralement trop escarpées pour qu'on puisse y installer des déversoirs de type dégorgeoir. Le barrage Hoover, sur le fleuve Colorado, aux États-Unis, est équipé d'un déversoir en forme de puits. Les puits déversoirs sont adaptés aux barrages dans des zones de drainage restreint, où les inondations sont rarissimes. Dans ces déversoirs, un puits vertical en amont du barrage évacue l'eau du réservoir lorsque le niveau est trop haut. Le puits vertical est raccordé à un conduit horizontal, en travers du barrage, qui mène à la rivière située plus bas. 5.2 Ouvrages provisoires dévacuation Des galeries et des puits de drainage sont creusés dans la masse du barrage pour collecter et évacuer les eaux qui pourraient s'infiltrer dans le corps de l'ouvrage et diminuer ainsi la sous-pression. Les galeries de drainage (réparties sur plusieurs niveaux) acheminent les eaux recueillies par les puits de drainage jusqu'aux rives et dans les profondeurs de la roche d'assise. 5.3 Prises d'eau Outre les déversoirs, des ouvrages d'évacuation sont nécessaires pour extraire l'eau du réservoir en continu. Cette eau est renvoyée à la rivière en aval du barrage ou fournit de l'énergie hydroélectrique via des turbines ; on peut également l'utiliser pour irriguer ou alimenter les grandes villes. L'évacuation des barrages est réalisée au moyen de tuyaux et de galeries, avec des canaux placés à côté du niveau minimal du réservoir. De tels canaux sont pourvus de portes et de vannes permettant de réguler le débit. 5.4 Vidanges de fond Les barrages sont généralement équipés d'un ouvrage de vidange, construit au fond de la retenue d'eau. Celui-ci doit pouvoir vider la retenue en huit ou dix jours en cas de danger, ou lors du contrôle, de l'entretien, ou de la réparation du barrage et de ses constructions annexes. Lorsque le barrage sert à produire de l'électricité, l'usine hydroélectrique fait partie des ouvrages annexes. Elle est le plus souvent séparée du barrage ; parfois, elle est intégrée dans le corps de la construction. 6 TYPES DE BARRAGES Il existe des barrages en maçonnerie ou en béton et des barrages en matériaux meubles. Les premiers appartiennent à au moins l'une des catégories suivantes : les barrages-poids (ouvrages de masse importante, dont le poids s'oppose à la poussée de l'eau du lac), les barrages-voûtes (incurvés sur les flans de la vallée), les barrages à contreforts (constitués de murs triangulaires parallèles au lit du cours d'eau), et les barrages mobiles, de hauteur modérée. Les trois premiers types, généralement en béton, nécessitent des fondations rocheuses de qualité. Ce sont des barrages-réservoirs : ils servent généralement à accumuler un certain volume d'eau pour l'irrigation, la lutte contre les crues ou la production d'énergie. Les barrages mobiles, souvent réalisés en travers d'un cours d'eau, sont employés pour rendre ce dernier navigable. Parmi les barrages en matériaux meubles, on peut citer les barrages en enrochement, les barrages en terre, constitués d'une terre homogène dans tout l'ouvrage ou de terres de différentes origines disposées en zone, les barrages mixtes, comportant un noyau étanche en terre argileuse et des enrochements. Le choix du type de barrage pour un site donné est déterminé par des considérations économiques et de sécurité. Le coût d'un barrage est partiellement lié à la disponibilité des matériaux de construction et à l'accessibilité du site. La nature des fondations est décisive dans le choix du barrage à édifier. 6.1 Les barrages en béton 6.1.1 Le barrage-poids Le barrage-poids moderne est une solide structure en béton à profil triangulaire, épaissie à sa base et affinée vers le haut. Vu du dessus, il est rectiligne ou légèrement incurvé, ce qui permet de réduire son volume, et donc son prix. Le côté en amont est pratiquement vertical. La stabilité et la résistance à la pression d'un tel barrage sont assurées par son propre poids, qui l'empêche de basculer ou de glisser sur sa base. Il s'agit du type de barrage le plus stable et qui nécessite le moins de maintenance. La hauteur d'un barrage-poids est généralement restreinte par le type de fondation. En raison de leur poids, les édifices de plus de 20 m de haut sont souvent construits sur des fondations rocheuses, et non sur un sol alluvial. Achevé en 1961, le barrage de Grande Dixence, en Suisse, a une hauteur de 285 m : c'est l'un des plus hauts barrages au monde. Il s'agit d'un barrage-poids en béton de près de 700 m de longueur, bâti sur des fondations rocheuses très stables. On peut également citer le barrage de Grand Coulee, terminé en 1942, sur le fleuve Columbia, dans l'État de Washington aux États-Unis. Il a une hauteur de 168 m, une longueur de 1 592 m et est constitué d'environ 8 millions de m 3 de béton. 6.1.2 Le barrage-voûte Le barrage-voûte emploie les mêmes principes de structure que le pont en arche. La voûte s'incurve vers le courant d'eau et la charge d'eau principale est répartie le long du barrage, mais surtout vers les parois latérales de la vallée étroite ou du canyon dans lesquels de tels barrages sont construits. À la courbure en plan s'ajoute parfois une courbure verticale, le barrage étant alors appelé barrage-coupole. La courbure des barrages-voûtes était initialement circulaire, mais les outils informatiques (modélisation mathématique) ont permis de concevoir de nouvelles formes, comme les spirales logarithmiques, proposées par les ingénieurs de l'EDF. Dans des conditions favorables, les barrages-voûtes contiennent moins de béton que les barrages-poids et leur stabilité est obtenue plutôt par leur forme que par leur masse propre. Relativement peu de sites conviennent à ce type de barrage. En effet, ils ne sont adaptés qu'à des vallées étroites. Ce sont les ouvrages les plus sûrs lorsque les points d'appui sont immuables. Le premier barrage-voûte aurait été érigé en Iran, à la fin du XIIIe siècle. Il s'agit du barrage de Kebar, haut de 45 m et large de 55 m. Le barrage de Inguri, construit en 1980 en Géorgie, constitue l'un des plus hauts barrages-voûtes au monde (272 m de haut, 680 m de large). Le type combiné poids et voûte le plus haut est le barrage Hoover, situé sur le fleuve Colorado, le long de la frontière de l'Arizona et du Nevada. Achevé en 1936, il a une hauteur de 210 m et une longueur d'environ 400 m. Le lac Mead, soutenu par le barrage Hoover, est l'un des plus grands lacs artificiels du monde, avec une superficie de 694 km 2 et une longueur de littoral de 885 km. En France, on peut citer le barrage de Tignes, sur l'Isère. Il existe une solution intéressante pour les vallées larges, que l'on doit à l'ingénieur A. Coyne : le barrage à voûtes multiples. Il s'agit, au départ, d'une simple variante du barrage à contreforts minces, dans laquelle on a substitué, à la paroi amont, une paroi constituée de voûtes cylindriques en béton armé, de portée réduite. Par exemple, le barrage canadien Daniel-Johnson (Manicouagan V), construit en 1968 sur le Manicouagan, comprend 12 voûtes de 75 m de portée et une voûte centrale de 120 m d'ouverture. D'une hauteur de 285 m, sa largeur en crête atteint 1 314 m. 6.1.3 Le barrage à contreforts Un barrage à contreforts comporte un voile d'étanchéité s'appuyant sur des piliers régulièrement espacés. Il est formé d'un mur amont, ou plate-forme, appelé masque plan amont, qui supporte l'eau retenue. L'édifice est équipé d'une série de renforts, ou murs triangulaires verticaux, construits pour supporter la plate-forme et redistribuer la poussée de l'eau vers les fondations. Le voile d'étanchéité est généralement très incliné vers l'aval, pour que le poids de l'eau plaque le barrage contre le terrain qui le supporte. Le poids de l'eau retenue par le barrage permet ainsi de compenser sa relative légèreté. Ces barrages sont parfois appelés barrages-poids creux, car ils requièrent seulement de 35 à 50 p. 100 du béton utilisé dans un barrage-poids de taille comparable. Le type de barrage à dalles planes ou à voûtes multiples est un exemple courant de barrage à contreforts, comme le barrage de Girotte, dans les Alpes. Dans un barrage à contreforts en dalles planes, le mur qui supporte la charge de l'eau est un rideau étanche de dalles en béton armé, encerclant l'espace entre les renforts. Malgré une économie considérable sur les matériaux utilisés, les barrages à contreforts ne sont pas forcément moins coûteux que les barrages-poids. Le coût des ouvrages à forme complexe et l'installation en acier pour les consolider compensent les économies sur le béton. De tels barrages sont parfois nécessaires dans des sites dont le terrain d'appui est médiocre, ou lorsque la vallée est trop large pour permettre la construction d'un barrage-voûte. Le premier barrage à contreforts en béton armé a été construit à Theresa, dans l'État de New York, en 1903. Le barrage Alcantara II, construit en 1969 en Espagne, est un barrage à contreforts de 128 m de hauteur et de 570 m de longueur. 6.1.4 Le barrage mobile Également appelé barrage à niveau constant, le barrage mobile a une hauteur limitée ; il est généralement édifié dans la partie aval du cours des rivières, de préférence à l'endroit où la pente est la plus faible. Il est muni en des endroits d'une bouchure -- partie mobile permettant de réguler le niveau en amont -- comportant des vannes métalliques ; la partie fixe correspond à un radier (revêtement) étanche. En réglant l'ouverture des vannes, on peut maintenir un niveau d'eau constant à l'amont. On peut utiliser ce type de barrage dans l'aménagement des estuaires et des deltas. 6.2 Les barrages en matériaux meubles Les barrages en matériaux meubles sont des barrages-poids qui n'utilisent pas le béton pour assurer les liaisons et l'étanchéité. Ce sont les barrages les plus résistants aux tremblements de terre. En fait, la plupart de ces ouvrages font appel à plusieurs matériaux ; ce sont alors des barrages mixtes. 6.2.1 Le barrage en terre Il existe des barrages en terre homogène, en général constitués d'un massif en terre compactée, et des barrages à profil zoné. Les barrages en terre homogène -- levées et digues -- sont les structures les plus couramment utilisées pour retenir l'eau. Ils sont construits avec des matériaux naturels collectés à proximité du barrage (terre argileuse, roche, pierre). Cette diversité de matériaux explique les formes diverses et la composition variée de ces ouvrages. Les matériaux ne sont pas simplement déversés, mais sont également arrosés, puis tassés et compactés à l'aide de gros engins tractés à rouleaux vibrants. Le développement de grands engins de terrassement a rendu leur construction particulièrement économique par rapport aux barrages en béton. En raison de la stabilité de la plupart des matériaux terreux agglomérés en pente douce, il est nécessaire que la base de ce type de barrage soit de quatre à sept fois plus large que sa hauteur. Le suintement est inversement proportionnel à la distance que l'eau doit parcourir. Le large renfort de terre est donc bien adapté pour des sites aux fondations perméables. Les barrages en terre conviennent également lorsque la roche en place n'a pas les qualités requises pour des fondations de barrages en béton, ou lorsqu'elle est recouverte d'une épaisse couche d'alluvions qu'il serait trop coûteux de retirer. Par exemple, le haut barrage d'Assouan sur le Nil a une hauteur de 111 m et une longueur de 3 600 m ; il est essentiellement construit à base de sable. 6.2.2 Le barrage en enrochements Le barrage en enrochements peut être constitué uniquement d'un matériau imperméable, tel que l'argile. Il peut également avoir un noyau central imperméable, vertical ou incliné, compris entre des massifs d'appui (à l'aval) ou de protection (à l'amont). Ce massif peut être fait de matériaux plus perméables, tels que le gravier sableux. Sur la face en contact avec l'eau, on dispose parfois un tapis d'étanchéité souple, ou « masque «, réalisé avec des produits bitumineux, qui s'adapte bien à la surface à couvrir et à un éventuel tassement du barrage. Le noyau peut s'étendre bien plus bas que le niveau de la fondation du barrage principal, dans le but de réduire le suintement. Le barrage de Tarbela, achevé en 1976 sur l'Indus, au Pakistan, a une hauteur de 148 m et une longueur de 5 043 m. Il contient 1 206 millions de m 3 de terre et de remblai dans le barrage principal (3 fois le barrage d'Assouan), le plus grand volume jamais utilisé dans un barrage en enrochements. Le projet, y compris les installations pour l'énergie hydroélectrique, a coûté plus de 14 milliards de dollars. 7 LES BARRAGES EN FRANCE En France, 150 grands barrages peuvent fournir une puissance totale de 23 000 MW, soit 15 p. 100 de la production totale d'électricité, le reste étant fourni essentiellement par les centrales nucléaires. Le plus long barrage français est celui du Mont-Cenis en Savoie : ce barrage en enrochements mesure 1 400 m (le plus long du monde, se situant à Kiev en Ukraine, mesure 54,1 km). Le plus haut est celui de Tignes avec 180 m. La retenue d'eau la plus importante est celle du barrage de Petit Saut, en Guyane, qui couvre 310 km 2. La plus puissante des centrales hydroélectriques est celle de Grand'Maison dans les Alpes avec 1 800 MW. La totalité des grand sites possibles a été équipée, et on ne peut plus guère installer sur le territoire national que des petites centrales au fil de l'eau. L'énergie hydraulique ne représente dans le monde que 18 p. 100 de la production totale d'électricité. Toutefois, en tant que source d'énergie renouvelable, elle constitue un gisement industriel important pour Électricité de France (EDF), dont le savoir-faire en la matière est unanimement reconnu. EDF intervient pour construire ou exploiter des ouvrages en Asie (Chine, Laos, Viêt Nam, Thaïlande, Indonésie), en Afrique (Guinée, Mali, Gabon, Côte d'Ivoire, Maroc) et en Amérique du Sud (Argentine).