Memoire Online - Apport de la géologie et de la géotechnique dans la construction d'un barrage hydroélectrique: Cas d'un barrage en terre ou en enrochement

« Le but de toute civilisation est de faire de l'homme, bête de proie, un animal dompté et civilisé ».

DEDICACE

« Le commencement de la sagesse c'est la crainte de l'éternel et la science des saints c'est l'intelligence ». Proverbe 9.10

A toi seigneur, l'éternel tout puissant, omniscient, omniprésent créateur de l'univers visible et invisible, maitre de la sagesse, de l'histoire, de l'existence. A toi seul soient la louange, la gloire et l'action de grâce, pour les protections et bénédictions que tu ne cesses d'accomplir dans notre vie quotidienne et pour l'aboutissement de ce travail.

A vous mes parents MBUANGI SAMBU Mozart et NZUZI LEVO pauline pour votre affection sincère à mon endroit et pour tout ce que vous êtes pour moi ;

Deux têtes valent souvent mieux qu'une, et que c'est de la confrontation des idées que la lumière jaillit. A toi mon grand frère ILAMBOU Cédric pour vos conseils d'encouragement et votre soutien pour ce travail ;

A vous mes frères et soeurs KHONDE Albert, LAU Bébé, MBULU Fimama, NDUZI Nestor, NDUZI Serge, YOBO Marty, YOBO Eric, LUMUNA Nephtali, TSAKA Célestine. J'exprime ici toute ma reconnaissance pour votre irremplaçable et inconditionnel soutien

AVANT-PROPOS

Auterme de ce travail, nous tenons à remercier tous ceux qui d'unemanière ou d'une autre ont contribué à parachever notre formation du premier cycle.

Il est évident que le franchissement de chaque palier a été gagné au prix de beaucoup d'efforts personnels, mais aussi grâce au soutien parfois inqualifiable de certaines personnes. C'est ainsi que nous adressons notre gratitude à l'égard du Monsieur le professeur Dr. Ir. WETSHONDO Dominique qui en dépit de ses multiples occupations a accepté de diriger ce travail.

Nos profondes et sincères expressions de gratitude vont à l'égard de l'Assistant MULOWAYI Cédric pour l'encadrement et certains conseils pour ce travail, qu'il trouve ici l'expression de notre reconnaissance.

Je remercie tout particulièrement MASSAMBA Aristote, EKONGA Albert, MOUANGOU Hod, PASHI Josué, BILO Ghislain, IPEPE Dalton, LUAMBA Jules, MAMBUENI Dieu merci, NZITA Arnold, NGIMBI Jules Maurice, MAKUITU Denis, LANDU Gloire, NIENZI Benjamin, BAYA Stallone, SIBU Jackson, DAGBIA Samuel, IYOLO Fiston, KEDIAZO Exaucé, MULAMBA Dominique, MAWETE Mitterrand, MBENZA Héritier, LUABEYA Naomie, KAMBU Naomie, EMBONI Laurent, EMADJALA Alain, TAMBA-TAMBA Salomon, MPUKU don, KAMBUYA Brunel, DONDO Rabbi, LUMBIDI Marlene, avec qui nous avons partagé des moments inoubliables toujours dans une atmosphère amicale et chaleureuse.

Nos remerciements vont à l'ensemble des autorités du département des géosciences, les professeurs et toutes personnes ayant assuré notre formation durant ces trois années de premier cycle.

LISTE DES ABREVIATIONS

Figure 1a et 1b: Barrage en poids (http://tpe barrage.jimbo.com/généralité/-la forme-des-barrages/le barrage-poids/)................................................................................................................4

Figure 2a et 2b: Barrage en voutes (www.planete-tp.com/barrages-en-béton-a 128.html)...5

Figure 3: Barrage à contreforts (http://barrage à contreforts)....................................................6

Figure 4: Barrage à aiguilles (http://fr.wikipedia.org/wiki/barrage).......................................7

Figure 5: Barrage mobile à battant (RANRIANANDRASANA J., 2009).........................................7

Figure 6: Schéma de répartition des tranches dans la retenue (DEGOUTTE G., 1997).............9

Figure 7: Principe de la boite de CASAGRANDE (RANRIANANDRASANA J., 2009)....................21

Figure 8: Courbe intrinsèque (RANRIANANDRASANA J., 2009)...................................................21

Figure 9: Représentation limites d'Atterberg (RANRIANANDRASANA J., 2009).......................25

Figure 10: Schéma du processus du Proctor (RANRIANANDRASANA J., 2009).........................26

Figure 11 a: Moule Proctor (office de route, 2008).......................................................................27

Figure 11 b: Moule C.B.R (office de route, 2008)..........................................................................27

Figure 12 a: Dame Proctor Normal (office de route, 2008).........................................................28

Figure 12 b: Dame Proctor Modifié (office de route, 2008)........................................................28

Figure 13: moule CBR 7 coups (RANRIANANDRASANA J., 2009)...............................................29

Figure 14: série de tamis (RANRIANANDRASANA J., 2009).......................................................30

Tableau 1 : pente des talus des barrages en terre suivant la hauteur de l'ouvrage, sa structure et le matériau (RANRIANANDRASANA J., 2009)..............................................................................12

Tableau 2 : valeur de la perméabilité en fonction de la granulométrie du terrain (RANRIANANDRASANA J., 2009).......................................................................................................15

Tableau 3 : diamètre et hauteur du moule (RANRIANANDRASANA J., 2009)............................27

Tableau 4 : poids et hauteur dame « PN », « PM » (RANRIANANDRASANA J., 2009).............28

Tableau 5 : quantité approximative par couche (RANRIANANDRASANA J., 2009).................29

Tableau 6:classification des sols en fonction de dimension de la maille (RANRIANANDRASANA J., 2009)..............................................................................................................................................31

Tableau 7 : classification des sols en fonction du tamis (RANRIANANDRASANA J., 2009).....32

Tableau 8 : épaisseur minimale du drain cheminée en sable (DEGOUTTE G., 1997)..............39

Tableau 9 : mesure de condition de site ou sollicitation environnementales (URACE. 2003)...43

Table des Matières

INTRODUCTION GENERALE

Les aménagements hydrauliques maritimes et fluviaux nécessitent un cheminement logique des études. L'étude géologique préalable est particulièrement poussée en ce qui concerne les grands ouvrages d'art tels que : tunnels, ponts, barrages. Il est souvent nécessaire de multiplier les sondages et les galeries de reconnaissance ainsi que la prospection géophysique.

L'étude du site d'un barrage comporte non seulement l'expertise sur les roches qui supporteront le barrage lui-même mais aussi celles du bassin de retenue pour éviter les pertes d'eau et celles du bassin versant pour connaitre les possibilités d'alimentation, les taux d'alluvionnement et les risques de glissement. En fonction de ces études, on choisit un barrage-voute, peu épais, convexe vers l'amont prenant appui à chacune de ses extrémités ou le barrage-poids, rectiligne, triangulaire ou trapézoïdal en section transversale, épais à la base, mince au sommet.

Les problèmes sur lesquels l'accent doit être mise concernent les techniques du remblaiement pour éviter des déformations de l'ouvrage par tassement ; la tenue des pentes et leur protection principalement contre les eaux superficielles et enfin la stabilité du sol de fondation.

1. OBJECTIF ET INTERET DU SUJET

Le principal objectif de ce travail n'est pas seulement de définir les fonctions qu'exerce la géologie et la géotechnique mais de montré son apport, comprendre les conditions qui seront prise en exercice pour décider sur le type de fondation de l'ouvrage ainsi que de bien faire le choix du site et faisabilité de l'ouvrage .

Les réflexions débattues sur ce présent travail permettront de faire les recommandations aux chercheurs et aux gouvernants sur la construction des barrages hydro-électriques.

2. TECHNIQUE D'ETUDE ET METHODOLOGIE

Toute étude sérieuse soit elle a comme sous bassement la rigueur des méthodes et techniques utilisées, ainsi donc avant de commencer à rédiger notre travail nous sommes premièrement passé à la récolte des données qui cadrent avec notre sujet.

Etant donné que le travail de fin de cycle est un travail bibliographique nous avons ainsi eu à consulter des ouvrages et livres dans différentes bibliothèques de la place. Notons que la recherche sur internet n'a pas été mise de côté.

3. SUBDIVISION DU TRAVAIL

Mise à part la partie introductive, la conclusion générale, nous avons subdivisé notre travail en trois grands chapitres dont :

Le premier parle des généralités sur les barrages hydro-électriques, le deuxième traite sur les études géologiques et géotechniques d'un barrage hydro-électrique, et enfin le troisième s'articule sur l'apport géotechnique dans la construction d'un barrage hydro-électrique.

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES BARRAGES HYDRO-ELECTRIQUES

I.1. INTRODUCTION

Tout projet de travaux fluviaux ou maritimes est largement conditionné par la qualité des sols rencontrés sur le site où il doit être implanté. Le choix du type d'ouvrage, du mode de fondation et des méthodes d'exécution ne peut se faire valablement sans une bonne connaissance des propriétés géotechnique du site. (ILAMBOU, 2014)

Toute étude de dimensionnement et toute évaluation du comportement de l'ouvrage futur risquent d'être illusoires si elles ne s'appuient pas sur une étude géotechnique sérieuse portant non seulement sur le sol mais également sur le régime hydraulique du site.

I.2. HISTORIQUE

Il faut remonter au 2^ème Siècle avant J.C. pour découvrir l'utilisation de la force motrice de l'eau qui actionne des roues à palettes ou à augets (ancêtre de la turbine).

Il a fallu attendre le XIXème Siècle et l'invention de la turbine par Benoit de FOURNEYRON qui a eu l'idée d'utiliser la pression de l'eau pour entraîner une roue à eau.

En 1883 Marcel DESPREZ réalise le transport de l'énergie à moyenne tension entre VIZILLE et GRENOBLE (5 Kw sur 14 Km). La force hydraulique fournit alors de l'énergie électrique à distance, L'hydroélectricité est née.de l'usine marémotrice de la FRANCE.

Aujourd'hui, avec l'avènement de l'énergie nucléaire, E.D.F est conduit à revoir les fonctions des centrales hydroélectriques sous d'autres aspects

Dans la période de 1920 à 1940, 51 barrages sont édifiés. Le 8 Avril 1946 la loi sur la nationalisation de l'industrie électrique confie à E.D.F. (électricité de France) la mission de construire, d'exploiter les moyens de production, et de vendre l'énergie électrique. L'équipement hydroélectrique se poursuit jusqu'en 1966 avec la mise en service:

§ Grâce à la souplesse et à la rapidité d'intervention (démarrage presque instantané et modulable) ; il fournit un appoint d'énergie aux heures et périodes de forte demande ;

§ Le barrage d'Inga I et II sur le Congo, en République démocratique du Congo ;

§ Le barrage de la Grande Dixence, en Suisse, plus précisément en Valais, dans le val d'Hérens ;

§ Le barrage de Nourek (300 m) au Tadjikistan qui est d'ailleurs le plus haut du monde.(http//wikipedia.org/wiki/quelques grands barrages.)

I.3. LES DIFFERENTS TYPES DE BARRAGES

I.3.1. Barrage poids

Un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s'apparente dans la plupart des cas à un triangle rectangle.)

Figure 1a et 1b : Barrage en poids (http://tpe barrage.jimbo.com/généralité/-la forme-des-barrages/les barrages-poids/)

I.3.2. Barrage voûte

La poussée de l'eau est reportée sur les flancs de la vallée au moyen d'un mur de béton marqué horizontalement, et parfois verticalement (on le qualifie alors de voûte à double courbure).

La technique de barrage-voûte nécessite une vallée plutôt étroite (même si des barrages voûtes ont été parfois construits dans des vallées assez larges, poussant cette technologie à ses limites) et un bon rocher de fondation. Même lorsque ces conditions sont réunies, le barrage-voûte est aujourd'hui souvent concurrencé par le barrage-poids en béton ou le barrage en enrochements, dont la mise en oeuvre peut être davantage mécanisée. (http//www.barrages-cfr.eu/wikhydro).

Figure 2a et 2b: Barrage en voûtes ( www.planete-tp.com/barrages-en-béton-a 128.html)

I.3.3. Barrage à contreforts ou multi voûtes

Lorsque les appuis sont trop distants, ou lorsque le matériau local est tellement compact qu'une extraction s'avère presque impossible, la technique du barrage à contreforts permet de réaliser un barrage à grande économie de matériaux.

Le mur plat ou multi voûtes en béton s'appuie sur des contreforts en béton armé encastrés dans la fondation, qui reportent la poussée de l'eau sur les fondations inférieures et sur les rives. Un des exemples le plus important de ce type est le barrage Daniel Johnson au Québec Canada.( www.barrages-cfr.eu/wikhydro)

Figure 3: barrage à contreforts ( http://barrage à contreforts)

I.3.4. Barrages à mobiles à aiguilles

Le barrage mobile ou à niveau constant, a une hauteur limitée ; est un barrage qui est généralement édifié en aval du cours des rivières, de préférence à l'endroit où la pente est la plus faible. On utilise généralement ce type de barrage dans l'aménagement des estuaires et des deltas.

I.3.4.1. barrages à aiguilles

Le barrage à aiguilles, crée par l'ingénieur Charles Poirée en 1834, qui, s'inspirant des anciens pertuis, étendit le système sur toute la largeur du cours ; améliorant considérablement la navigation fluviale dès la moitié du XIXe siècle.

Figure 4: Barrage à aiguilles (http://Fr.wikipedia.org/wiki/barrage)

Le système Poirée consiste en un rideau de madriers mis verticalement côte à côte barrant le lit du fleuve. Ces madriers ou aiguilles d'une section de 8 à 10 cm et longues de 2 à 4 m, selon les barrages, viennent s'appuyer contre un butoir (ou heurtoir) du radier (sur le fond) et sur une passerelle métallique constituée de fermettes. (RANRIANANDRASANA J., 2009).

I.3.4.2. Barrages mobiles à battant

Le barrage à battant ou porte à axe vertical, comme le barrage moderne hollandais de (Maeslantkering), ou les portes à la Léonard de Vinci fermant le port canal de Cesenatico pour empêcher les fortes marées d'envahir les terres.

L'écoulement de l'eau peut se produire par le dessous du battant lorsque la vanne à secteur inférieure est soulevée (ce qui permet aussi de nettoyer la surface de la plate-forme), ou bien par le dessus en déversoir, lorsque la vanne supérieure à volet est abaissée.(RANRIANANDRANASA J., 2009).

Figure 5: Barrage mobile à battant (RANRIANANDRANASA J., 2009)

I.3.5. Barrage en remblai

On appelle barrage en remblai tous les barrages constitués d'un matériau meuble, qu'il soit très fin ou très grossier (enrochements).Cette famille regroupe plusieurs catégories, très différentes et leurs différences proviennent des types de matériaux utilisés et de la méthode employée pour assurer l'étanchéité. Le barrage homogène est un barrage en remblai construit avec un matériau suffisamment étanché (argile, limon), c'est la technique la plus ancienne pour les barrages en remblais. Le barrage à noyau argileux comporte un noyau central argile (qui assure l'étanchéité), épaulé par des recharges constituées de matériaux plus perméables. Cette technique possède au moins deux avantages sur le barrage homogène :

- Les matériaux de recharge sont plus résistant que les matériaux argileux, on peut donc construire des talus plus raides ;

- On contrôle mieux les écoulements qui percolent dans le corps du barrage, La technique des barrages à masque amont est plus récente. L'étanchéité est assurée par un « masque » construit sur le parement amont du barrage. Ce masque peut en béton armé (on construit actuellement de nombreux et très grands barrages en enrochements à masque en béton armé) en béton bitumineux, ou constitué d'une membrane mince (les plus fréquentes : membranes PVC, membranes bitumineuse).(www.barrages-cfr.eu/wikhydro)

I.3.5.1. Définition du profil général du barrage en terre

L'ouvrage est géométriquement déterminé par sa hauteur, sa largeur en crête et la pente des talus amont et aval.

La hauteur totale du barrage se calcule en ajoutant à la hauteur normale de la retenue la charge maximale sur le déversoir de crue et la revanche.

Figure 6: Schéma de répartition des tranches dans la retenue (DEGOUTTE G., 1997)

La hauteur normale de la retenue est calculée en tenant compte de la capacité utile à stocker, de la tranche morte éventuellement prévue du fond de la retenue pour emmagasiner les dépôts et de la tranche correspondant aux pertes par infiltration et évaporation.(RANRIANANDRASANA J., 2009)

La charge maximale sur le déversoir dépend des débits des crues à évacuer, de leur laminage par retenue et des caractéristiques hydrauliques du déversement. Elle dépend aussi des caractéristiques de l'évacuateur de crues définies en fonction de l'hydrologie de bassin de la retenue. Niveau des plus hautes eaux = Niveau normale de la retenue + Charge sur le déversoir. (RANRIANANDRASANA J., 2009)

La revanche est une épaisseur de sécurité entre la côte des plus hautes eaux et le sommet de l'ouvrage. Soulignons que parmi tous les risques d'accidents qui menacent l'existence d'un barrage en terre, le déversement ou submersion est le plus grave. Il faut donc même éviter que les vagues ne passent pas par-dessus.

La hauteur, la vitesse des vagues et la revanche sont généralement estimés à l'aide des formules empiriques telles que :

F : Longueur rectiligne maximum du plan d'eau, mesurée à partir du barrage ou Fetch en Km ;

Pour les grands barrages, les valeurs sont beaucoup plus élevées et peuvent dépasser 5,00m

Dans le cas d'un déversoir libre, sans vanne, la revanche peut être réduite jusqu'à 2m.

Cette fondation est évidement calculé après tassement de l'ouvrage et de ses fondations.

La largeur en crête d'un barrage en terre ou en enrochement doit être suffisante pour qu'il n'y ait pas de circulation d'eau importante dans le barrage près de son couronnement lorsque la retenue est pleine.

Pratiquement, la largeur en crête d'un barrage en terre n'est jamais inférieure à 3m afin de permettre le passage des engins d'entretien. Il est souvent utile de la traiter en chemin rural .Elle est souvent déterminée par les dimensions de la route passant sur le barrage. L'épaisseur en crête est déterminée à l'aide de formules empiriques. En général, pour les petits ouvrages ; on prend :

Elle est fixée par les conditions de stabilité mécanique du massif et de ses fondations.

Elle dépend aussi de la structure du barrage et de la nature des matériaux du massif et des fondations.

En général, on se donne en dessinant le projet, des pentes qui paraissent optimales et on vérifie grâce à une étude de stabilité que la sécurité est assurée.

Le tableau ci-dessous, donnée à titre indicatif fournit les éléments de cette évaluation.

Tableau 1. Pente des talus des barrages en terre suivant la hauteur de l'ouvrage, sa structure et le matériau. (RANRIANANDRASANA J., 2009)

Hauteur de H	Type de barrage et matériaux	Pente des talus amont	Pente des talus avals
H < 5m	Homogène granulométrie étendue	2.5/1	2.5/1
	A noyau ou a zones	2/1	2/1
5 = H = 15m 10=H = 15m	Homogène granulométrie étendue Homogène matériau argileux A noyaux ou à zones. Homogène granulométrie étendue Homogène matériaux argileux A noyau ou à zones	2,5/1 2,5/1 2,5/1 3/1 3,5/1 2,5/1	2/1 2/1 2/1 2,5/1 3/1 2,5/1

Les calculs doivent être effectués à partir des résultats les plus défavorables des essais sur les matériaux d'emprunt, et non à partir des valeurs moyennes. Le profil général du barrage étant connu, il convient de procéder ensuite à l'étude de la stabilité du barrage.

I.4. Choix du site et faisabilité de l'ouvrage

La construction de l'ouvrage repose sur des critères d'ordre techniques. Le choix de celui-ci repose sur des critères d'ordres techniques, économiques et sociaux.

Les types de barrage peuvent être classés en différentes catégories selon le matériau de construction et selon le mode de résistance à la poussée de l'eau et on à :

- Barrages en remblai homogènes drainés, zonés ou à étanchéité artificielle ;

I.4.1. Critères techniques

Les principaux paramètres techniques à prendre en compte dans la construction du barrage sont :

I.4.1.1. Topographie et apports du bassin versant

Elle consiste à chercher un emplacement qui répond à la fois aux besoins en eau en fournissant un volume d'eau suffisant afin d'en tirer le type de l'ouvrage à édifier.

Par souci de la rentabilité économique de l'ouvrage, on fait tendre le rapport V/C vers la plus grande valeur possible.

La carte topographique de la région, nous permet de situer les zones pour le bon emplacement d'une retenue collinaire :

(Relation obtenue après observation de plusieurs retenues en Afrique par l'Ecole Inter -Etats d'Ingénieurs de l'Equipement Rural (E.I.E.R) et le comité Interafricain d'Etudes Hydrauliques (C.I.E.H).(RANRIANANDRASANA J., 2009)

Dans le cas d'une retenue à vocation agricole, l'altitude devrait être choisie pour qu'une distribution gravitaire soit possible.

Une vallée de forme convergente est intéressante. En effet, la construction d'un barrage en remblai suivant l'axe où la vallée se rétrécit le plus possible devrait permettre d'obtenir la plus faible longueur du barrage pour un volume élevé de la retenue.

Tout barrage est nécessairement lié à son environnement. La morphologie de la vallée joue un rôle important dans le choix du site d'emplacement du barrage et du type d'ouvrage le mieux adapté.

Bien entendu, l'emplacement idéal et le plus économique est celui d'un site étroit, précédé à l'amont par un élargissement de la vallée, à condition que les appuis du barrage soient sains. En première approximation, une vallée large conviendra mieux à l'aménagement d'un barrage en remblai.(http//www.barrages-cfr.eu/wikhydro)

I.5. GEOLOGIE

La carte géologique de la région donne une idée générale de la nature géologique de la zone. Une visite sur terrain s'avère donc nécessaire. Les points suivants doivent être approfondis : étanchéité, nature de fondations et zones d'emprunt.

I.5.1. Etanchéité de la cuvette

Les sols de la cuvette doivent être aussi imperméables que possible afin d'éviter des pertes considérables en eau qui peuvent provoquer la vidange prématurée de la retenue et des phénomènes dangereux comme la destruction de l'ouvrage. La carte géologique de la région permet de voir la nature des terrains d'assise de la cuvette. Les zones suivantes sont à éviter :

Pour avoir une idée sur les ordres de grandeur de la perméabilité en fonction de la nature du terrain, on peut se référer aux valeurs suivantes :

Tableau 2 : Valeur de la perméabilité en fonction de la granulométrie du terrain. (RANRIANANDRASANA J., 2009)

Nature du terrain	Gravier	Sable très gros et moyen	Sable fin	Sable très fin	Silt ou limon	Argile homogène
DiamètreØ	20mm	2mm	0.2mm	0.1mm	0.05mm	5ì 1ì
Perméabilité K(m/s)
Qualification	Très perméable	Perméable	Peu perméable	Peu perméable	Semi imperméable	Imperméabe

I.5.1.1. Nature des fondations de l'ouvrage

Pour les fondations rocheuses, on essaiera seulement de voir l'importance de la partie altérée.

En ce qui concerne les fondations meubles, pour avoir une idée de leur nature exacte, il est préférable de faire quelques sondages à la tarière. Trois grands types de terrains meubles peuvent être rencontrés :

- Les terrains graveleux ou sableux : ces terrains sont à perméabilité élevée mais offrent l'avantage d'avoir une bonne stabilité ;

- Les terrains formés de sables très fins, de limons, de roches broyées (type de sol rencontré le plus souvent).Ces terrains ont une perméabilité relativement faible et sont compressible ;

- Les terrains à fort pourcentage d'argile : même s'ils sont imperméable ce type de terrain est à éviter (problème de gonflement, de glissement car l'argile est un matériau à comportement variable).

I.5.1.2. Matériaux des zones d'emprunt

Une des conditions importantes qui entre dans le choix du site est la proximité des matériaux nécessaires à l'édification du type d'ouvrage. Ces matériaux doivent être acceptables en qualité et en quantité. En général, pour constituer le corps d'un barrage en remblai, les matériaux doivent avoir les caractéristiques suivantes : avoir une bonne imperméabilité et une densité élevée, se tasser le moins possible et avoir une grande résistance au cisaillement. Pour estimer la quantité des matériaux disponibles, quelques sondages à la tarière sont nécessaires.

I.5.1.3. Influence de la pression interstitielle

Les pressions interstitielles au sein du barrage peuvent donc présenter des distributions radicalement différentes suivant les circonstances. On ne sait à priori quelle distribution conduit à la situation la plus critique. Selon J. COSTET et G. SANGLERAT (1983), on doit toujours au stade du projet, vérifier la stabilité de l'ouvrage dans les trois cas suivants :

Dans cette dernière hypothèse, les zones amont d'un barrage sont particulièrement menacées.

Par contre, à la fin de la construction, c'est principalement le noyau qui est en cause, les autres zones ne sont pas assez imperméable pour empêcher la dissipation des surpressions.

Dans ce type de barrage, les lignes de glissement potentiel se développent principalement dans les zones de faible résistance et leur allure diffère assez sensiblement d'un arc de cercle. Le noyau est particulièrement sollicité, aussi les principaux problèmes qui se posent dans les barrages de ce type concernent la déformation du noyau et l'apparition de pression interstitielle en son sein.

A côté de ces ruptures d'ensemble, il ne faut pas oublier de penser aux renards qui sont toujours possible. Cette forme de rupture est d'autant plus dangereuse qu'elle ne se manifeste pas immédiatement mais il importe donc, lors de la construction, de veiller à tout ce qui pourrait favoriser l'apparition du phénomène de renard : mauvais compactage du noyau, présences des fissures dans l'argile, etc. il faut également se préoccuper de la nature du sous-sol à l'intérieur duquel les phénomènes des renards aussi peuvent se produire, un système de drainage sera parfois nécessaire.

Depuis le début de l'existence de l'homme, l'eau a toujours été au centre et même vecteur du développement des pays, notamment dans les domaines de l'agriculture, l'urbanisation, l'hygiène, la protection contre les inondations. Le développement d'un réseau de canaux exige la réalisation de réservoirs (barrages) très importants à l'échelle de l'époque. Jusqu'à l'arrivée des chemins de fer, les canaux fournissent en effet, le seul moyen de transport de masse nécessaire à l'industrie naissante.

Le barrage est un ouvrage d'art construit au travers d'une cour d'eau et destiné à réguler le débit de celui-ci ou à en stocker l'eau pour différents usages tels que : contrôle des crues, irrigation, industrie, hydroélectricité, pisciculture, réserve d'eau potable ou le trafic fluvial. En somme c'est une étendue d'eau créée artificiellement par l'homme et pour l'homme à usage surtout économique. (J. COSTET et G. SANGLERAT, 1983).

I.6. CONCLUSION PARTIELLE

La construction du barrage doit être reposée sur les études géologiques et géotechniques pour éviter les effondrements et la destruction de l'ouvrage. Les constructeurs doivent prendre en compte les éléments ci-après : la topographie et les apports du bassin versant, la morphologie de la vallée, les conditions géologiques et géotechniques, ainsi que la nature des fondations. Dans les études on choisit le barrage voute et le barrage poids mais les grands barrages ne sont jamais des massifs homogène.

CHAPITRE II : ETUDES GEOLOGIQUE ET GEOTECHNIQUE D'UN BARRAGE HYDRO-ELECTRIQUE

II.1. INTRODUCTION

Les études géologiques et géotechniques d'un site de barrage ont pour but de définir la nature, les caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques des sols.

- L'existence des retenue et de la qualité de ses eaux (apports solides, caractéristiques des eaux).

Des études seront menées pour connaître aussi complètement que possible la nature géologique des terrains du bassin versant, de la cuvette, de la zone d'implantation du barrage et de la zone d'emprunt.

II.2. ECHELLE DU BASSIN VERSANT

Les études géologiques et géotechniques doivent fournir les indications sur son aptitude à l'écoulement.

II.3. ECHELLE DE LA CUVETTE

L'étude de l'étanchéité de la cuvette sera surtout basée sur la détermination du degré de perméabilité des terrains. Si leur imperméabilité est insuffisante, il est nécessaire de faire des essais in situ pour tous les types de sols et, comme des analyses granulométriques et des mesures en laboratoire pour les sols des fonds de cuvette afin de déterminer leur degré de perméabilité. Ces essais permettent de déterminer les coefficients de perméabilité pour évaluer l'ampleur des fuites possibles vis-à-vis des débits d'alimentation de la cuvette et à définir les travaux d'étanchéitisation à envisager. Ces fuites sont dues aux assises perméables ou aux accidents tectoniques (failles, fracture) de la retenue.(RANRIANANDRASANA J., 2009).

II.4. TRAVAUX D'ETANCHEITISATION

Ces travaux sont nécessaires dans le cas où le fonds de la cuvette a un coefficient de perméabilité supérieur à cm/s (m/s) sur une épaisseur de 0,50m au minimum. Divers travaux d'étanchéitisation peuvent être adoptés :

a) pour la couche superficielle, formée de matériaux à granulométrie assez étendue avec au moins 3 à 4% d'éléments fins de diamètre inférieur à 0,05m, on peut faire des travaux descarification et de compactage pour diminuer la perméabilité à des valeurs acceptables.

b) Pour la cuvette présentant des parties affleurées de sable et de gravier, un apport d'argile compacte de 0,50m d'épaisseur est nécessaire. On peut s'attendre à un phénomène d'auto colmatage, dû aux apports des sédiments des fonds de la cuvette après quelques années d'exploitation.

En bref, dans le cas de barrage en terre, la cuvette doit être aussi imperméable que possible et ne doit présenter aucun caractère de perméabilité en grand.(RANRIANANDRASANA J., 2009)

II.5. ECHELLE DE LA ZONE D'IMPLANTATION

Pour les barrages en terre, comme pour les barrages en béton, la connaissance exacte des matériaux sur les quels sera construit l'ouvrage est absolument indispensable. Pour cela, on doit apporter le plus de soins possibles à l'étude des fondations car elle a une influence sur le choix du type et du profil du barrage à adopter et de prévoir les dispositifs spéciaux appropriés tels que : tapis filtrants,...

Un des avantages bien connus des barrages en terre est leur facilité d'adaptation aux différents types de sols de fondations, il suffit alors de vérifier par quelques sondages, la nature des fondations afin de vérifier qu'elles ne comportent pas trop près de la surface, de couches compressibles.

Pour les petites retenues, on utilisera le sondage à la tarière. Dès que la hauteur de l'ouvrage dépasse 5 à 6m, il est nécessaire de prévoir la visite sur place d'un géologue qui peut fournir une définition précise de la structure des terrains formant la fondation de l'ouvrage. En ce qui concerne les infiltrations à travers les fondations d'un barrage en terre, elles peuvent entraîner un danger de sous pressions et de phénomène de renards. Ce sont les sols formés d'alluvions perméables qui sont favorables à la formation de ces phénomènes. Il y a donc risque de destruction totale de l'ouvrage.

Ainsi, pour les sols de fondation, l'interprétation des données issues sur des études géologiques et géotechniques est très importante.

II.5.1. Cas de fondations rocheuses

Pour les fondations rocheuses, il est nécessaire de déterminer l'épaisseur des couches altérées et de détecter les fissures ou les failles. Pour ce type de fondations, le barrage en béton est généralement le plus choisi, mais en cas d'un barrage en terre, la liaison terre roche nécessite des études appropriées est à surveiller de près.

II.5.2. Cas de fondations meubles

Les barrages fondés sur les alluvions sont en général des barrages en enrochements.

Les barrages en terre sont souvent implantés dans des vallées recouvertes d'une importance couches d'alluvions.

La connaissance des caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques des couches de fondation permet de voir si les assises sont capables de supporter les efforts de cisaillement qui s'y développent du fait du poids de la digue et si elles ont une imperméabilité suffisante pour éviter des fuites importantes et, ne présentent pas trop de tassement.

La détermination des caractéristiques mécaniques et hydrodynamique sera faite en laboratoire sur des échantillons non remaniés, prélevés jusqu'à une profondeur à peu près égale au ou de la hauteur du barrage dans des tranchées ou dans des puits creusés suivant l'axe de la digue, A défaut on doit recourir à des sondages (existences de la nappe aquifère).

II.5.2.1. Essais d'identification

Ils consistent à déterminer la résistance au cisaillement ð et le tassement ?h

L'étude mécanique élémentaire de la résistance d'un sol s'effectue sous deux contraintes principales seulement pour une déformation plane : Une contrainte t normale au plan de cisaillement sur lequel on applique une contrainte de cisaillement pour provoquer un mouvement de glissement. L'essai se fait dans la boite de CASAGRANDE représentée par le schéma ci-dessous :

Figure 7: Principe de la boîte de CASAGRANDE (RANRIANANDRASANA J., 2009)

Pour diverses valeurs de ó, on peut construire la courbe t = f (s)appelée : courbe intrinsèque du matériau.

Figure 8: Courbe intrinsèque (RANRIANANDRASANA J., 2009)

C : cohésion représentée par l'ordonnée du point d'intersection de la droite avec l'axe des contraintes tangentielles.

ö : Angle de frottement interne : c'est l'angle de droite représentative avec l'horizontale.

Tous les calculs de stabilité en mécanique des sols (stabilité des pentes, de fondations, d'ouvrages de soutènement) sont liés aux caractéristiques mécaniques des terrains. Les deux caractéristiques importantes d'un sol sont : L'angle de frottement ö et la cohésion C

Il existe un frottement interne entre les grains du sol : cet angle de frottement est fonction de la nature des grains de leur forme, de leur taille, de leur rugosité, de leur compacité,...

On peut donner, à titre indicatif, la formule empirique suivante donnant l'angle de frottement interne de matériaux pulvérulents.

Au point de vue physique, il s'agit de la propriété qu'ont certains sols de se présenter « en mottes » du fait de forces d'attraction inter granulaires qui sont en particulier dues aux forces de particularité.

Ils ont pour but de déterminer les coefficients de perméabilité des sols de fondation. Pour cela, on peut distinguer :

II.6. ECHELLE DE LA ZONE D'EMPRUNT MATERIAUX DE CONSTRUCTION

La définition des zones d'emprunt constitue un élément essentiel du projet, d'où dépendront les caractéristiques de l'ouvrage. On a vu que l'un des critères importants du choix du site est la proximité de matériaux convenables, en qualité et en quantité suffisante. Le coût de l'ouvrage augmente considérablement avec la distance de transport des matériaux acceptable et même dans le cas de petits barrages. La limite supérieure est de 1 km. Le but de l'étude géotechnique de la zones d'emprunt consiste à :

- Déterminer les matériaux aptes à la zone de construction parmi les nombreux échantillons prélevés dans les zones d'emprunt localisées ;

Les échantillons prélevés nécessairement remaniés (ce qui n'a aucune importance puisqu'il s'agit de matériaux devant être extrais et compactés) sont soumis à des essais de laboratoire de mécanique des sols portant sur :

II.6.1. Identification et classification des sols

Pour des utilisations de génie civil, un sol est défini par la connaissance de sa texture, sa granulométrie, ses limites d'Atterberg, son poids spécifique (ou poids volumique) du matériau constitutif des grains. Il est défini aussi par son taux en matière organique et sa teneur en eau. (KISONGA E., 2017)

II.6.1.1. Teneur en eau naturelle W

C'est le rapport exprimé en pourcentage du poids d'eau que le sol contient au poids de ces éléments secs, après dessiccation à l'étuve à plus de 100°C pendant un temps suffisamment long. La connaissance de la teneur en eau d'un sol est très importante car elle permet avec d'autres caractéristiques d'apprécier l'état dans lequel se trouve ce sol.

II.6.1.2. Degré de saturation

C'est le rapport du volume de l'eau au volume de vides d'un sol. Le degré de saturation peut être exprimé en pourcentage ou en nombre décimal.

II.6.1.3. Poids volumique

Le poids volumique du sol humides (ou apparent) est le rapport du poids du matériau sec contenu dans une certaine quantité du sol au volume de ce même sol. C'est le rapport du poids de matériau sec contenu dans une certaine quantité de sol au volume de ce même sol.

II.6.1.4. Limites d'Atterberg

Limites d'Atterberg (limite de liquidité et limite de plasticité) : c'est la teneur en eau pondérales correspondant à des états particulier d'un sol.

C'est la teneur en eau d'un sol remanié au point de transition entre les états liquides et plastiques.

C'est la teneur en eau d'un sol remanié au point de transition entre les états plastique et solide.

C'est la Différence entre les limites de liquidité et de plasticité. Cet indice définit l'étendue du domaine plastique

W est la teneur en eau du sol a son états naturel et ne comportant pas des éléments supérieur 400 ìm.

Les teneurs en eau étant exprimées en pourcentage, l'indice de plasticité est un nombre sans dimension.

Figure 9: Représentation limites d'Atterberg (RANRIANANDRASANA J., 2009)

- Recherche de la teneur en eau pour laquelle une rainure dans un sol placé dans une coupelle de caractéristiques imposées se ferme lorsque la coupelle et son contenu sont soumis aux chocs répétés ;

- Recherche de la teneur en eau pour laquelle un rouleau de sol d'une dimension fixée et confectionné manuellement, se fissure.

Parmi les facteurs qui conduisent à une force portante satisfaisante pour un sol employé en remblai se trouve la « teneur en eau ». L'essai Proctor a pour but de déterminer la teneur en eau optimale, qui conduit à la force portante maximal pour un sol donné et des conditions de compactage données.

Déterminer la force portante correspondant à une teneur en eau donnée serait long, difficile et aléatoire. Il est préférable d'utiliser une autre fonction de la teneur en eau, qui présente le maximum pour la même valeur de la teneur en eau que la force portante : la masse volumique apparente sèche.

II.6.2.1. Schéma du processus

Avec un matériel et suivant un processus normalisé, on compacte des échantillons du sol étudié à diverses valeurs de ù, et on déterminer les ds correspondantes. On porte les résultats sur une graphique, et on fait passer une courbe au mieux par les points trouvés, courbe dont on détermine le maximum. L'abscisse de ce maximum est la teneur en eau optimale, ùopt, et sonor donnée la masse volumique apparente sèche maximal dmax. Pour cette même valeur ù opt, la force portante est également maximale.

Figure 10: Schéma du processus du Proctor (RANRIANANDRASANA J., 2009)

II.6.2.2. Matériel utilisé

C'est un tube métallique cylindrique, ouvrable en deux demi (coquilles, que l'on peut fixer sur une plaque de base, et muni d'une hausse.

Figure 11 b : Moule C.B.R(office de route, 2008)

Figure 11 a : Moule Proctor (office de route, 2008)

Tableau 3 : Diamètre et hauteur moule (RANRIANANDRASANA J., 2009)

Une dame est un tube cylindrique, avec mouton actionné par une poigné (figure 12a et b)

Dame Proctor Modifié (office de route, 2008).

Figure 12a et b : Dame Proctor Normal (office de route, 2008).

Tableau 4. Poids et hauteur dame « P.N », « P.M » (RANRIANANDRASANA J., 2009)

TYPE	?(mm)	P (g)	H (mm)
PN	51	2490	305
PM	51	4535	457

L'énergie du compactage dépend de la masse du mouton et de sa chute (deux facteurs qui sont plus grands pour la « dame PM », et aussi du nombre de couches que comporte le remplissage. On agira sur ce dernier facteur :

Soit dans les mêmes rapports que le nombre1, 2 et 3. Les surfaces des moules peuvent donc être couvertes de la manière suivante :

Figure 13 : moule CBR 7 coups (RANRIANANDRASANA J., 2009)

v Moule Proctor : 6cycles de 4coups, plus un dernier coup au centre, soit 25 coups par couches ;

v Moule CBR: 8cycles, le dernier ne comportant pas de coup au centre, soit 55 coups parcouches.

II.6.2.3. Quantité de matériau a utilisé par couche

Nous verrons plus loin que, après compactage, le sol doit arriver à environ 1cm au-dessus du bord supérieur du moule. Pour que toutes les couches aient la même épaisseur, il faut savoir quelle quantité de matériau (non compacté) introduire par couche.

L'expérience montre que, avec les sols courant, ces quantités sont de l'ordre de quantité approximative par couches3.

Tableau 5. Quantité approximative par couche (RANRIANANDRASANA J., 2009)

II.6.3. Analyse granulométrique

II.6.3.1. Principe de l'essai

L'essai consiste à séparer les grains agglomérés d'une masse connue de matériau par brassage sous l'eau, à fractionner ce sol, une fois séché, au moyen d'une série de tamis et à peser successivement le refus cumulé sur chaque tamis. La masse de refus cumulée sur chaque tamis est rapportée à la masse totale sèche de l'échantillon soumis à l'analyse.

II.6.3.2.Définitions

Analyse granulométrique par tamisage : est un ensemble des opérations aboutissant selon leur grosseur des éléments constituant un échantillon, en employant des tamis à maille carrée afin d'obtenir une représentation de la répartition de la masse des particules à l'état sec en fonction de leur dimension.

Elle consiste à déterminer la granularité des sols et des granulats dont les dimensions sont comprises entre 0,08 millimètre et 80 millimètres.

On utilise les tamis, dans lesquels l'organe de séparation est constitué d'une tôle métallique ou d'une tôle perforée définissant des trous carrés.

On trie les granulats par dimension au moyen de tamis (mailles carrées) et de passoires (trous circulaires) et on désigne une classe de granulats par un ou deux chiffres. Si un seul chiffre est donné, c'est celui du diamètre maximum D exprimé en mm; si l'on donne deux chiffres, le premier désigne le diamètre minimum d des grains et le deuxième le diamètre maximum D.

Un granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D. Lorsque d est inférieur à 2 mm, le granulat est désigné 0/D. Il existe cinq classes granulaires principales caractérisées par les dimensions extrêmes d et D des granulats rencontrées (Norme NFP18-101):

Tableau 6. Classification des sols en fonction de dimension de la maille (RANRIANANDRASANA J., 2009)

APPELATION		DIMENSION DE LA MAILLE TAMIS EN (mm)
Pierres cassées et cailloux	Gros	50 à 80
	Moyens	31,5 à 50
	Petits	20 à 31,5
Gravillons	Gros	12,5 à 20
	Moyens	8 à 12,5
	Petits	5 à 8
Sable	Gros	1,25 à 5
	Moyens	0,31 à 1,25
	Petits	0,08 à 0,31
Fines, farines et fillers		Inférieur à 0,08

Tableau 7. Classification des sols en fonction du tamis (RANRIANANDRASANA J., 2009)

Module	Ouverture des mailles(en mm)	Appellation des principales classes de matériaux
50	80,0	Gros	Pierres concassées (matériau de concassage) et cailloux (matériau roulés)
49	63,0
48	50,0	Moyen
47	40,0
46	31,5
45	25,0	Petits
44	20,0
43	16,0	Gros	Graviers et gravillons concassés ou roulés
42	12,5
41	10,0	Moyens
40	8,0
39	6,3	Petits	Graviers et gravillons concassés ou roulés
38	5,0
37	4,0	Gros

tamis de modules : 20 - 23 - 27 - 31 - 34 - 36 - 38 - 40 - 42 - 44 - 46 - 47 - 48 - 50

tamis de modules : 20 - 22 - 24 - 26 - 28 - 31 - 34 - 35 - 37 - 38 - 39 - 40 - 41 - 42 43 -44 - 45 - 46 - 47 - 48 - 49 - 50.

Les tamis de module 20 à 38 peuvent être montés sur une machine à tamiser alors que ceux de plus grande ouverture sont le plus souvent utilisés manuellement. (RANRIANADRASANA J., 2009).

II.7. CONCLUSION PARTIELLE

L'étude géologique et géotechnique nous donne des renseignements précis sur l'étanchéité et la stabilité mécanique des fondations. Ainsi donc on procède au sondage pour la vérification de la surface de couches compressibles.

Certains essais s'avère utile tels que : l'essai mécanique pour la détermination de la résistance au cisaillement et le tassement, l'essai hydrodynamiques pour la détermination des coefficients de perméabilité des sols de fondations, tous ces essais nous permettent de connaitre la portance du sol et le matériau possible afin d'éviter la destruction de l'ouvrage.

CHAPITRE III : APPORT DE LA GEOTECHNIQUE DANS LA CONSTRUCTION D'UN BARRAGE HYDRO-ELECTRIQUE

III.1. INTRODUCTION

Un barrage doit être étanche et stable. L'analyse des incidents et accidents de barrage en terre et en enrochement montre qu'il faut se préoccuper des écoulements d'eau à travers le barrage, mais aussi du contournement du barrage par le bas et par les cotes. L'instabilité peut prendre la forme d'un glissement du corps du barrage sur sa base ou de rupture par glissement des talus amont et aval pendant la construction du barrage ou son exploitation. L'existence d'écoulements préférentiels dans le corps du barrage est autre sujet de préoccupation important pour les ingénieurs, pour toutes ces raisons le dimensionnement des barrages en terre et en enrochements en l'un des problèmes les plus complexes des géotechniques.

L'exécution des travaux maritimes et plus que toute autre activité de travaux publics soumise aux lois de la nature. Les tempêtes viennent souvent perturber l'activité du chantier et parfois démolir ce qui a été péniblement construit. C'est pourquoi chaque fois qu'on le pourra, on essaiera d'exécuter le maximum de travaux par voie terrestre, et non par voie maritime. (ILAMBOU, 2014)

III.2. LES PARAMETRES GEOTECHNIQUES

III.2.1.Etudes Géotechnique de faisabilité

L'étude de faisabilité appelle aux remarques préliminaires dans laquelle l'étape importante dans l'élaboration d'un projet de barrage est ainsi nommée pour signifier qu'elle constitue le point au-delà duquel ne doit subsister qu'un très faible taux d'échec, et qui conditionne le lancement d'étude plus poussée (donc plus couteuse). Cette appellation ne signifie cependant pas que la faisabilité géologique du projet ne puisse être remise en cause lors des phases d'études ultérieures, dans des cas particulièrement difficiles, et qui doivent rester l'exception. Il parait préférable que la personne chargée de l'étude se donne des moyens de porter à ce stade un diagnostic objectif et le plus faible possible, quitte à mettre en oeuvre dans le cas douteux quelques reconnaissances plus poussées et non prévues initialement plutôt que des reporter ces diagnostics à l'APS (Avant-projet sommaire), on note à ce sujet une certaine variété dans les pratiques des bureaux d'études entre la position exposée ci-dessous et celle correspondant au report du diagnostic de faisabilité au stade de l'APS (Avant-projet sommaire).

En fonction du type et de l'importance des barrages, elle peut être de maitre d'ouvrages concernés. Il se peut en particulier que la maitrise d'ouvrage ne soit pas assurée par le même organisme lors de l'étude préalable et lors de l'APS, l'essentiel demeure que le maitre d'oeuvre effectue une mission conforme à l'attente de son client en lui apportant une aide à la décision tout au long de l'avancement du projet.

Après le diagnostic préliminaire favorable du géologue sur le site considéré, il convient de procéder à un ensemble d'études et d'investigation plus poussées enfin :

- De confirmer l'absence des conditions géologiques ou géotechniques rédhibitoires pouvant invalider les diagnostics antérieurs ;

- D'affiner progressivement la définition du type des barrages le mieux adapté à ce contexte et son implantation exacte ;

- De préciser, dans le cas d'un barrage à remblai, quel pourrait être le meilleur emplacement de l'évacuateur de crue ;

- D'orienter et de définir les reconnaissances qui seront nécessaires aux phases ultérieures du projet (APS).

Ces études de faisabilité géologique ou géotechnique vont généralement de pair avec d'autres types d'étude de faisabilité entre autre foncière, environnemental, économique, aménagement local.

- Foncière : d'une importance sans cesse croissante et qui parfois peut prendre le pas sur les autres aspects du projet

- Environnemental : les aspects écologiques des projets de barrage l'objet d'étude d'impact qui doivent prendre en compte les conséquences des travaux envisagés sur le milieu, tant au niveau du site et de ses environs que sur la cour d'eau en aval.

- Economique : il convient d'étudier la viabilité du projet selon sa destination, qui peut être multiple (irrigation, solution d'étiage et lutte contre la pollution, écrêtement des crues et protection contre les inondations, tourisme et loisir).

- Aménagement local : un projet de barrage est parfois l'occasion de lancer une réflexion sur le devenir des zones rurales en difficulté. Bien qu'il puisse paraître logique de subordonner le lancement de ces diverses études à une conclusion favorable sur la faisabilité géologique, leur importance croissante et leur délai de réalisation impose le plus souvent un lancement simultané, et parfois même de suspendre les études géologiques à la conclusion favorable des autres études de faisabilité. Cette phase d'étude de faisabilité est celle où doivent être reconnues les caractéristiques essentielles du site et décelés, dans toute la mesure du possible, les problèmes importants pouvant amener à un diagnostic défavorable. S'il existe généralement une solution technique aux problèmes rencontrés, sont coût peut être parfois disproportionné avec l'intérêt économique de l'ouvrage et à condamner la réalisation.(http// :Wikipédia.org/wiki/géotechnique de faisabilité)

III.2.2. Etudes géotechniques en phase d'exécution

Les études géotechniques peuvent être composées d'une à trois phases qui sont :

Ø La phase 1 : étude géotechnique préliminaire de site qui consistera essentiellement à une analyse documentaire et une visite du site avec les acteurs concernés ;

Ø La phase2: étude géotechnique d'avant - projet qui comportera une série d'investigation par sondage in situ et au laboratoire ;

Ø La phase 3 : étude géotechnique qui comportera des investigations complémentaires nécessaires suites à des difficultés détectées lors de la phase 2.

Dans la phase 1, les documents suivants sont disponibles auprès du maître d'ouvrages ou maitre d'oeuvres : l'étude de schéma d'assainissement contenant une étude pédologique, étude géotechnique préalablement réalisée, plan d'avant-projet, profondeur du réseau. Une réunion préparatoire à la phase 1 suivie d'une visite préalable des lieux, organisée à l'initiative du maitre d'ouvrage est prévue en associant le maitre d'ouvrage, et les exploitants de réseau. Cette réunion permettra de recueillir toutes les informations relatives à la connaissance des lieux et permettra de mieux cibler le contenu de l'étude.

Même dans les zones n'ayant pas l'objet de l'étude géotechnique ou des reconnaissances antérieures, la consultation des archives cartographiques peut s'avérer très utile. Le chargé d'études y recherchera la géométrie des terrains, la présence d'accidents géologiques, l'identification des zones humides ou mal drainées, des zones instables (glissement, effondrement) ainsi que des indications diverses sous l'occupation du sous-sol.

L'étude sur les documents devra être obligatoirement complétée par un examen visuel des lieux et des contacts ciblés avec les riverains. Cette prise de contact qui doit déborder des cadres stricts de l'emprise permettra de relever les indications utiles sur la configuration générale du site. On accordera une grande importance au comportement du bât, de voirie, du terrain naturel... Les caractéristiques morphologiques du site (rupture de pente, déclivité) feront l'objet d'un examen détaillé.

De même, l'examen des fouillés exécutées à proximité pourra donner des indications utiles sous les caractéristiques des terrains, leur stabilité et sur la présence de l'eau. La profondeur de la nappe phréatique pourra être évaluée par les géotechniciens à partir du recensement des puits existant dans le voisinage. La nature du peuplement végétal pourra également renseigner sur l'humidité relative des sols.

La phase 2 sera réalisée sur base des conclusions du report de phase 1 après validation par le maitre d'ouvrage.

ï Définir précisément la stratigraphie et la caractéristique des sols. Les rubriques suivantes seront définies sous l'angle quantitatif dans la mesure du possible en fonction du programme d'investigation : variation de facies horizontalement et verticalement, compacité des sols, perméabilité par tout moyen adapté, type de la nappe profondeur et variation, portance en fond de fouille, tenue des fouilles, choix du blindage et mode de retrait.

La phase 2 comporte : la recherche et l'exportation des référence acquises dans l'emprise de l'ouvrage sur les unités de sols identiques ou voisins, une carte géotechnique précise du site, les information hydrogéologiques ( la présence de nappe ) positionné sur le profil en long fourni au prestataire par le maitre d'oeuvre à un minimum de 1m sous le fil d'eau supposé de la canalisation.

Le programme d'investigation établi au stade de la consultation sera adapté en fin de phase 1 si nécessaire. Au stade de la consultation, le prestataire pourra proposer des variantes. Le choix de la technique des reconnaissances en cas des variantes sera justifié par le prestataire. (http//:Wikipédia.org/wiki/géotechnique en phase d'exécution)

ï Essais au scissomètre, dans le cas de sols mous (argile, vases, tourbes) pour déterminer la cohésion non drainée ? NF P 94 -112

III.3. GLISSEMENTS DE TERRAIN

III.3.1. les ruptures

Les ruptures sont souvent liées à des problèmes d'écoulement d'eau ou érosion au pied du massif par une rivière ou par la mer, les questions de rupture à long terme s'y posent assez fréquemment.

On observe aussi des ruptures par glissement dans de nombreux ouvrages artificiel, les talus dressés dans un massif existant pour élargir une plate-forme ou pour ouvrir une tranchée et talus résultant d'opérations de remblai. Ce genre d'ouvrage se rencontre dans tous les travaux de terrassement qu'il s'agisse de l'aménagement d'une grande zone ou la construction d'une ligne de chemin de fer ou d'une autoroute qui ne s'accommodent que de faibles pentes longitudinales et entrainent donc la réalisation de terrassements importants. Les digues des canaux ou des aménagements hydro-électriques, les levées de défense contre les crues constituent une catégorie sujette aux ruptures par glissement, on y rencontre des problèmes d'infiltration ou érosion des berges.

Les grands barrages en terre ou en enrochement et les retenues collinaires posent des problèmes tout à fait analogues parmi lesquels il faut citer en premier lieu le comportement des ouvrages lors des variations brutales du niveau des eaux, c'est-à-dire lors des vidanges rapides qui sont souvent à l'origine de sinistres spectaculaires. Il faut citer aussi le cas des ouvrages de travaux publics, murs de soutènement, murs de quai fondés sur des couches plus au moins molles et qui peuvent : périr par rupture profonde s'ils sont soumis par exemple à des surcharges dans de mauvaises conditions. On ne sait enfin dans quelle catégorie il faut classer les terrils et les crassiers dont les talus sont parfois très instables et présentent de ce fait un réel danger pour l'agglomération voisines ; leurs ruptures interviennent principalement sous l'effet des eaux d'infiltration après de fortes pluies. (J. COSTET et G. SANGLERAT, 1983)

Au terme de cette énumération, il est intéressant de rappeler les différentes causes de rupture que l'on rencontre et de les classer. Ainsi donc on en distingue de la manière suivante :

- Les ruptures dues aux modifications du moment monteur (surcharges des murs de quai par exemple) ;

- Les ruptures provoquées par les modifications des conditions hydrauliques (vidange rapide d'un réservoir, apparition d'un écoulement) ;

- Les ruptures entrainées par les modifications des caractéristiques géotechniques du terrain (ruptures à long terme des pentes naturelles, dessalage de certaines argiles dans les digues collinaires).

Collin A.,(1998), avait relevé soigneusement plusieurs ruptures de ce type et cru pouvoir affirmer qu'elles affectaient la forme de cycloïdes. On assimile dans ce cas la surface de glissement à un cercle, principalement pour des raisons de commodité dans les calculs. Mais toutes les ruptures de talus n'affectent pas grossièrement circulaire, principalement dans les massifs non homogènes.

III.4. DISPOSITIF DRAINANT DU REMBLAI

v Un drain cheminée vertical continu, en sable 0-5 mm, de la base du remblai jusqu'au niveau normal des eaux + 0,20 à 0,30 mètres pour éviter tout risque de contournement, sous la crête près du parement aval, ce drain est généralement obtenu en recreusant à la pelle le remblai toutes les 5 ou 6 couches compactées et en y déversant le sable avec soin ;

v Une évacuation vers l'aval, si possible indépendante du tapis drainant ou des bandes drainantes, surtout si le remblai n'est pas constitué de matériau très étanches ;elle consiste en des cordons en matériaux granuleux (en général du gravier entouré de sable ou d'un géotextile) de section total très largement suffisante pour évacuer le débit prévisible ; pour les petites retenues dont H²vv < 100 ces cordons peuvent être remplacés par des collecteurs plastiques non perforés, diamètre extérieur 100 mm (type adduction d'eau), pente minimale 1/100, un tous les 25 mètres, quatre au minimum, raccordés à un collecteur perforé situé à la base du drain cheminée ; la mise en place des tuyaux doit être soignée pour éviter tout risque de déboitement entre tronçons d'une part et d'écrasement d'autre part ; en outre, l'exécution d'un regard à l'extrémité aval de chaque collecteur aveugle facilite la surveillance et entretien.

Il est proposé de diminuer l'épaisseur de drain cheminée (minimum de 0,50 m) au fur et à mesure de la montée du remblai en fonction de la valeur de H²vv correspondant à la cote inferieure de la tranche considérée (drain cheminée avec deux ou trois épaisseurs en tout). Le tableau 8 (ci-contre) donne les valeurs de l'épaisseur minimale préconisée. Cette dernière est, en général, surabondante en ce qui concerne le débit des infiltrations, mais elle permet d'avoir une sécurité à long terme vis-à-vis d'un colmatage partiel par des fines et / ou par des carbonates. La nature des matériaux du remblai peut conduire à adopter des épaisseurs plus importantes. Les largeurs de godet disponibles sont aussi à prendre en compte. (G. DEGOUTTE, 1997).

Tableau 8. Epaisseur minimale du drain cheminée en sable (G. DEGOUTTE, 1997)

H²vv	< 30	30 à 100	100 à 300	300 à 700	700 à 1500
Epaisseur en m	0,50	0,80	1,00	1,20	1,50

Il sépare la zone étanche de la recharge aval. Son épaisseur dépend notamment du nombre de couches nécessaires au respect des conditions de filtre.

III.4.1. Utilisation des géotextiles comme filtre ou drain

Les géotextiles sont des nappes de fibres souples, résistantes et perméables. Il existe plusieurs produits, chacun d'entre eux pouvant assurer une ou plusieurs fonctions (filtre, drain, protection contre le poinçonnement...). Des applications ont été mentionnées précédemment.

Bien entendu, il est fondamental de ne pas considérer le géotextile comme un produit passe-partout (un géotextile capable de supporter sans déchirure la pose d'enrochements, n'a pas grand-chose à avoir avec un géotextile utilisé comme filtre). Dans un barrage, les géotextiles sont plus souvent utilisés pour participer à l'évacuation des eaux de percolation en intervenant comme filtre de protection d'un matériau granulaire. Toutefois, la mise en place d'un géotextile pour protéger un drain cheminée n'est pas aisée. Dans ce cas, une solution alternative consiste à construire le remblai en deux étapes, afin de mettre en place le géotextile entourant le drain sur un parement incline stable à court terme.(G. DEGOUTTE, 1997)

Il existe aussi des géotextiles composites capables d'évacuer dans leur plan des débits relativement importants. Ils sont alors constitués d'une nappe drainante prise en sandwich entre deux nappes filtrantes. Ce produit peut remplacer un drain cheminé de petit barrage à condition toutefois qu'il puisse évacuer un débit suffisant, malgré la diminution de son épaisseur due aux contraintes qu'il subit dans le remblai. Le géocomposite est mis en place en zigzag de la façon suivante :

- Le remblai est édifié en compactant alternativement des couches à l'amont puis à l'aval du système drainant ;

- Lorsque la zone est compacté, un premier panneau de géocomposite est installé et raccordé au collecteur de pied, la largeur excédentaire étant rabattue vers l'amont ;

L'expérience étant à ce jour limitée à de très petits ouvrages, il n'est pas conseillé de l'utiliser lorsque H²vV est supérieur à 300.

III.4.2. Prise en compte de la sismicité

- Stabilité du barrage sous séisme, avec éventuellement l'estimation des déformations ;

Le séisme de référence pour le projet est, en principe, défini dans l'étude géologique en fonction de la sismicité régionale (provinces sismo-tectoniques, séismes historiques, intensité macro-sismique, lois d'atténuation avec la distance...). Il est caractérisé par une accélération maximale horizontale en surface du terrain naturel, que l'on peut écrire sous la forme á g (avec g = accélération de la pesanteur). Dans la pratique actuelle, les méthodes employées pour apprécier la stabilité des ouvrages en séisme dépendent de la valeur de á et de la sensibilité supposée du barrage : hauteur, nature de la fondation (présence de couches sableuses saturées par exemple), constitution de l'ouvrage. Pour les petits ouvrages et un séisme faible ou modéré (á < 0,15 à 0,20) on se contente généralement d'utiliser la méthode pseudo-statique, lorsque l'ouvrage est plus sensible et le séisme plus important, il est recommandé d'utiliser, en plus de la méthode pseudo-statique, des méthodes plus représentatives prenant en compte le comportement dynamique des sols. (G. DEGOUTTE, 1997).

C'est la méthode la plus généralement utilisée dans le cas des petits et moyens barrages.

L'influence du séisme est représentée par un coefficient sismique horizontal Kh revenant à appliquer un effort moteur horizontal supplémentaire Kh. P au centre de gravité du volume de terre en glissement potentiel et de poids total P. les efforts résistants mobilisés sont ceux estimés à partir de la résistance statique (tels que définis dans l'étude de stabilité sans séisme). Cette notion est bien adaptée aux méthodes de calcul habituelles découpant le volume de terre en tranches verticales. Les plus souvent, on n'utilise pas de coefficient sismique vertical Kv (l'introduction de l'effort supplémentaire Kv, P conduit à un effort moteur supplémentaire dans le cas d'une accélération dirigée vers le bas).

Cette méthode nécessite le choix d'un coefficient sismique, ce qui demeure empirique. En principe, dans un calcul de stabilité de pente, Kh est pris égal à á â ou â est un coefficient de réduction défini par l'expérience (â= 1/2 à 2/3 si l'on se réfère aux pratiques américaines et japonaise). En règle générale, on peut retenir â= 2/3 à 1 pour le cas de fonctionnement fréquents tels que le régime permanent, et â= 1/2 à 2/3 pour les autres cas (fin de construction et vidange)

III.5. EQUIPEMENTS HYDROELECTRIQUES

- une partie électrique concernant la transformation et le transport de l'électricité.

Les prises d'eau doivent être convenablement protégées (criblage, dessablage) pour éviter la dégradation des équipements. Les conduites forcées doivent être très résistantes avec des parois très lisses pour limiter les pertes de charge et les cavitations. L'ensemble des équipements hydrauliques est équipé de vannes et de dispositifs de régulation des pressions et des débits.

Les barrages sont équipés de galeries permettant les accès aux équipements hydrauliques et électriques et permettant l'auscultation et le contrôle du barrage.

Pour permettre la navigation fluviale, des écluses ou canaux de dérivation peuvent être aménagés (exceptionnellement on peut utiliser des ascenseurs à bateaux pour de fortes dénivellations).

Pour favoriser la circulation des poissons migrateurs (saumons), on équipe les barrages de passes à poissons (canaux à faible vitesse d'écoulement).

Il est très fréquent que les barrages soient utilisés comme voie de circulation en crête, on équipe donc le sommet d'une chaussée et des dispositifs usuels de sécurité.

III.4. AUSCULTATION ET SURVEILLANCE DES BARRAGES

Les contrôles portent essentiellement sur les phases de réalisation du barrage, ils doivent confirmer les hypothèses retenues pour l'étude notamment au niveau de la géologie et de l'hydrologie du site. Les premiers contrôles probants seront réalisés lors des injections, on pourra ainsi vérifier que les débits d'injections sont conformes aux prévisions ce qui fournit une indication sur la qualité de la mise en oeuvre.

La surveillance du barrage se prolonge sur toute la durée d'existence du barrage, elle comporte:

- des mesures topographiques permettant de vérifier les déformations d'ensemble de l'ouvrage ;

- des mesures d'extensomètre permettant de contrôler les déformations locales (capteurs installés en permanence dans l'ouvrage) ;

- des mesures piézométriques permettant de contrôler l'état des pressions d'eau dans le barrage et dans le massif environnant.

La surveillance des barrages permet de se prémunir contre les risques majeurs en programmant les opérations d'entretien ou de rénovation, mais aussi cela fournit les renseignements nécessaires à l'affinement des techniques de conception des futurs ouvrages.

Pour conserver son efficacité, la retenue doit régulièrement être purgée de ses alluvions (vase, blocs, dépôts organiques) qui risque de compromettre le bon fonctionnement des équipements de sécurité.

III.4.1. surveillance de l'état de l'ouvrage

La surveillance de l'état de l'ouvrage concerne l'état des matériaux constitutifs de l'ouvrage et de ses fonctions. La surveillance de l'état fournit les informations nécessaires pour procéder à une évaluation actualisée de l'intégrité de l'ouvrage, que ce soit sur une base régulière ou après des événements extrêmes afin d'effectuer l'action de maintenance appropriée. La complexe et la portée de l'ouvrage implique toujours une inspection visuelle et, dans certains cas inclut des mesures pour évaluer l'état actuel de l'ouvrage par rapport à l'état initial. Pendant cette période, il peut y avoir des ajustements dynamiques tels qu'un tassement de l'ouvrage une imbrication des blocs d'enrochement ou des variations de bathymétrie.

III.4.2. surveillance de l'environnement

La surveillance de l'environnement concerne les contraintes externes qui s'exercent sur l'ouvrage de même que l'impact de l'ouvrage sur l'environnement local, comme sur une plage ou sur le lit d'une rivière. Le tableau 7 détaille les conditions de site ou sollicitations environnementales ainsi que les techniques de surveillance appropriées. Les méthodes de surveillance sélectionnées doivent être liées aux modes de rupture potentielle de l'ouvrage concerné et en particulier à ceux qui ont été identifiés comme les plus probables.

Tableau 9: Mesure des conditions de site ou sollicitations environnementales (URACE, 2003)

Condition de site ou sollicitation environnementale	Mesure
Hauteur d'eau	Tableau des marées, inspection visuelle données provenant des stations locales d'enregistrement des marées les plus proches utilisation des enregistrements des capteurs de niveau de surface ( jauge de niveau ou jauge de résistance), s'ils sont disponibles
Climat de houle	Pressiomètre de fond (solide et bon marché) capteur de niveau de surface monté sur un support solide (dispositif de pieux ou échafaudage de tubes triangulé) bouée houlographe ou dispositif similaire (sa maintenance sera onéreuse sur de longues périodes) Analyse rétrospective des tempêtes à l'aide des enregistrements portant sur les vents
Régime des vents	Anémographe standard (selon la corrélation entre la direction du vent et celles vagues, ceci peut être un moyen utile pour évaluer la direction de propagation de la houle)
Run-up de la houle	Sonde (sa pérennité est potentiellement problématique)
Transmission de la houle	Capteur de la houle à l'arrière du barrage
Pression interstitielle des remblais	Piézomètres installés dans le remblai avec dispositif d'enregistrement automatique
Bathymétrie et topographie des plages	En de ça des hautes eaux, les techniques bathymétriques classiques sont possibles au-dessus des basses eaux, il est possible d'avoir recours à des techniques de levés classiques ou à la photogrammétrie à partir de photographies aériennes. La photographie du niveau de l'eau niveau de l'eau depuis la terre ferme et à partir de positions fixes fournit une évaluation utile de la forme de la plage entre le niveau des basses eaux et celui des hautes eaux.
Contrainte sur les fondations	Capteur de pression totale
Pression interstitielle dans les fondations	Piézomètres (il est possible d'utiliser une simple conduite verticale ou pour des mesures en continu, des appareils d'enregistrement électroniques à corde vibrante)

III.5. CONCLUSION PARTIELLE

L'apport de la géotechnique dans la construction du barrage est d'une importance très utile car il est demandé à l'ingénieur maitre du projet d'effectué une descente sur terrain afin de faire une analyse documentaire et une visite du site avec des acteurs concernés. Il est demandé aussi d'exécuter une série d'investigation par sondage in situ et au laboratoire.

Les études de préfaisabilité et de faisabilité seront prises en compte car l'analyse du site doit être bien faite pour la recherche de la géométrie des terrains, la présence d'accidents géologiques, l'identification des zones humides ou mal drainées, des zones instables (glissement, effondrement), ainsi des indications diverses sous l'occupation du sous-sol.

CONCLUSION GENERALE

Cette étude était exclusivement basée sur l'apport de la géologie et de la géotechnique dans la construction d'un barrage hydro-électrique

Cependant pour mener à bon port notre étude enfin d'en avoir une meilleure compréhension, nous avons jugé utile de la subdiviser en trois chapitres.

La production de l'énergie électrique est conditionnée par la transformation de l'énergie hydraulique (chute d'eau), en énergie mécanique avec une turbine puis cette énergie mécanique est transformée grâce à un alternateur couplé à la turbine, en énergie électrique. Pour une même puissance fournie, une turbine peut être alimentée par un gros débit et une faible chute.

Le cout des études préalables n'étant pas complètement proportionnel à la taille de l'ouvrage, il n'est pas toujours possible d'engager toutes les études géologiques souhaitables pour les petits barrages. Il peut alors être préférable d'abandonner des sites modestes alors que, pour de grands barrages, on pourrait prendre les moyens de lever l'indétermination.

Dans le cas simple au contraire, il pourra s'avérer intéressant et économique de regrouper plusieurs formes de reconnaissance en une seule : par exemple, il est classique de déplacer une pelle hydraulique une seule fois dans le cas d'un petit barrage ne présentant pas de difficulté géologique ou géotechnique ; le petit barrage doit rester un ouvrage de conception simple, de réalisation simple, d'entretien simple. Mais de critère de simplicité doit toujours laisser le pas au critère de sécurité : on ne supprimera pas, par exemple, le filtre autour d'un drain en matériau grossier pour un argument de simplicité.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

- BOURGES et al., (1989) : Etudes géotechniques préalables à la réalisation des aménagements maritimes et fluviales, Paris

- COSTET J. et G. SANGLERAT., (1983) : Cours pratique de mécanique des sols 2. Calcul des ouvrages, édition Bordas, Paris

- URACE, (2003) : les méthodes géotechniques pour la surveillance des barrages, Paris

- KISONGA E., (2017) : Mécanique des sols et des roches, Dpt. des Géosciences, Fac. des Sciences, UNIKIN, RDC, inédit.

- RANRIANANDRASANA J., (2009) : Etude et analyse géotechnique de construction d'un barrage de rétention d'eau à AMBATOVY, mémoire de DEA en génie minéral, MADASCAR.

- ILAMBOU C., (2014) : Apportsgéologiques et géotechniques à la conception de l'extension minéralière du port de pointe noire en République du Congo, Mémoire de Fin d'Etudes, Dpt. des Géosciences, Fac. des Sciences, UNIKIN, KINSHASA, inédit.

Apport de la géologie et de la géotechnique dans la construction d'un barrage hydroélectrique: Cas d'un barrage en terre ou en enrochement

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