BARRAGES


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L’édification d’ouvrages au travers des cours d’eau, en vue d’y prélever une part plus ou moins importante du débit, compte parmi les activités les plus anciennes de l’humanité: les œuvres modernes, bénéficiant des progrès continus de la technique, ont vu leur taille s’accroître, leurs formes s’élaborer, leurs buts se diversifier, mais chacune d’elle peut se reconnaître un ancêtre, même à l’état embryonnaire.

Le but primitif, et qui demeure toujours l’un des objectifs essentiels dans la plupart des régions du globe, est l’irrigation. La régularisation, réclamée par l’agriculture, des débits au cours de l’année conduit à créer des réservoirs saisonniers d’une capacité d’autant plus grande que l’on cherche à contrôler une fraction plus forte des apports annuels du cours d’eau; à cet effet, il faut bâtir des barrages de plus en plus importants, par leur hauteur ou leur longueur. De tels lacs artificiels permettent, en outre, de réduire, dans une certaine mesure, les dégâts occasionnés par les crues, dont les pointes les plus sévères peuvent être écrêtées.

De plus, l’eau, dans sa descente vers les océans, recèle une énergie qui peut être domestiquée, et qui l’a été depuis plus de 2 000 ans grâce à des artifices mécaniques; mais cette utilisation a pris, dès le début du XXe siècle, un essor considérable par la transformation de cette énergie primaire en énergie électrique. L’exploitation de la houille blanche a donné naissance à une floraison considérable de barrages. En Europe occidentale, cette tâche verra son achèvement dans quelques décennies, par l’épuisement des sites économiquement utilisables, mais, dans le monde, les ressources hydroélectriques encore inexploitées sont extrêmement importantes. De nombreux barrages sont en cours de construction à des fins énergétiques et beaucoup d’autres suivront. Très souvent, ils desservent en même temps les besoins de l’irrigation.

Enfin, des barrages sont construits à d’autres fins: protection contre les crues, lutte contre l’incendie, navigation, création de polders, protection des estuaires contre les remontées d’eau salée depuis la mer, alimentation en eau potable, usages industriels, tourisme et loisirs.

Un recensement effectué par la Commission internationale des grands barrages, à la fin de l’année 1982, a permis d’estimer que le nombre d’ouvrages en service de plus de 15 m de hauteur était de 35 000 environ, et plus vraisemblablement compris entre 35 000 et 40 000. La moitié de ces barrages sont en Chine, où leur construction a connu un développement colossal depuis 1949 (8 barrages recensés à cette date). En dehors de la Chine, le nombre de barrages a triplé entre 1950 et 1982. En France, ils étaient 164 en 1950, 388 en 1977 et 432 en 1982. À cette date, 19 ouvrages étaient en construction.

80 p. 100 des 35 000 barrages recensés ont cependant moins de 30 m de hauteur. Il y a donc prépondérance des barrages de faible hauteur. Ceux qui s’élèvent à plus de 100 m ne représentent que 1 p. 100 du nombre total. On les trouve essentiellement aux États-Unis, au Japon, en Espagne, en Italie, en Suisse, au Canada, en France, en Union soviétique, en Chine et en Inde. Il existait, à la fin de 1982, 24 barrages de plus de 200 m de hauteur. Depuis lors, ils ont été dépassés par celui de Rogun, en Union soviétique, 335 m de hauteur, en construction en 1982.

Des plus hauts ouvrages du monde, la plupart des types sont représentés:

– pour les barrages en terre et en enrochement, en plus de Rogun déjà cité, Tehri et Kishau en Inde (respectivement 261 m et 253 m, tous deux en construction en 1984); pour les barrages en terre, Nurek en Union soviétique (300 m, mis en service en 1980) et Mica au Canada (242 m, achevé en 1972);

– pour les barrages en enrochement, Chicoasen au Mexique (261 m, mis en service en 1980) et Guavio en Colombie (243 m, achevé en 1987);

– pour les barrages-poids, Grande Dixence en Suisse (285 m, mis en service en 1961) et Bhakra en Inde (226 m, mis en service en 1963);

– pour les barrages-voûtes, Inguri en Union soviétique (272 m, mis en service en 1980) et Vajont en Italie (262 m, achevé en 1961);

– pour les barrages à voûtes multiples, Daniel-Johnson au Canada (214 m, mis en service en 1968). C’est le seul de ce type à avoir cette hauteur, le deuxième au monde étant le barrage Aguieira au Portugal (89 m, mis en service en 1981).

Le plus haut barrage à contreforts recensé est le barrage José M. Oriol en Espagne (130 m, mis en service en 1969).

Il faut également noter la large prépondérance des barrages en matériaux meubles qui représentent 83 p. 100 des 35 000 ouvrages recensés en 1982 (terre et enrochement); ils ne représentaient que 61,7 p. 100 en 1950. Les ouvrages en béton ou maçonnerie se partagent les 17 p. 100 restants (11 p. 100 pour les barrages-poids, 4 p. 100 environ pour les barrages-voûtes, 1 p. 100 pour les barrages à contreforts et moins de 1 p. 100 pour les barrages à voûtes multiples). En revanche, pour les barrages de plus de 200 m de hauteur, les deux tiers d’entre eux sont des voûtes.

1. Les données de base

Les caractéristiques du site où sera construit le barrage sont les données essentielles pour la conception de l’ouvrage. En dehors des conditions climatiques, il s’agit principalement de l’hydrologie du cours d’eau qui sera barré, de la topographie de sa vallée et de la géologie.

L’hydrologie

L’objectif d’un barrage étant de stocker un certain volume d’eau pour diverses utilisations, il faut donc se préoccuper, d’une part, des conditions de remplissage de la réserve envisagée et, d’autre part, de veiller à ce que l’ouvrage ne soit pas un obstacle au passage des crues qui risqueraient de le submerger. Pour cela, il faut étudier les apports mensuels, saisonniers et annuels et les débits instantanés pour définir les crues maximales pouvant entrer dans la retenue. Si les données sont suffisantes, on utilise des méthodes statistiques directes. Si cela n’est pas le cas, il faut étendre l’information par corrélation avec d’autres données disponibles comme la pluviométrie ou le régime de bassins similaires. Toutes ces études demandent de grandes précautions pour couvrir les incertitudes des données.

La topographie

Les renseignements topographiques nécessaires concernent à la fois le bassin-versant de la retenue, dont la morphologie intervient dans les études hydrologiques, la vallée de la rivière à l’amont et à l’aval du barrage, le site de ce dernier et celui de la retenue, et les zones d’emprunts des matériaux qui seront utilisés pour la construction des ouvrages.

La géologie

Les études géologiques et géotechniques donnent des informations concernant la nature des matériaux qui constituent la fondation du barrage ou les berges de la retenue, leurs caractéristiques mécaniques et leur étanchéité, aussi bien en surface qu’en profondeur. Elles nécessitent la réalisation de travaux de reconnaissance dont le coût peut être très important.

2. Les différents types de barrages

On peut distinguer deux grandes classes de barrages: les barrages en maçonnerie ou en béton et les barrages en matériaux meubles (terre et enrochement) ou semi-rigides (béton compacté au rouleau).

Barrages en maçonnerie ou en béton

Ces ouvrages qui, dans le passé, étaient construits en maçonnerie sont le plus souvent, à l’heure actuelle, construits en béton. Les outillages mécaniques qui se sont peu à peu développés depuis le début du siècle permettent de mettre en œuvre, dans des délais réduits, des volumes importants de béton (le barrage du Grand Coulee, sur la rivière Columbia, aux États-Unis, a un volume de plus de 8 millions de mètres cubes, près de trois fois le volume de la Grande Pyramide). Cependant, dans certains pays où la main-d’œuvre abonde et exige un emploi, comme l’Inde, de nombreux barrages de grandes dimensions, dont le volume atteint ou dépasse le million de mètres cubes, sont construits en maçonnerie dans des délais normaux, grâce au travail de dizaines de milliers d’ouvriers. Il s’agit naturellement de barrages massifs et non d’ouvrages minces aux formes élaborées. Pour simplifier la suite de cet exposé, tous les ouvrages de cette première classe seront englobés sous la dénomination de barrages en béton.

Les barrages en béton peuvent appartenir à plusieurs catégories:

– Les barrages-poids, ouvrages massifs s’opposant par leur poids à la poussée de l’eau du lac.

– Les barrages-voûtes qui, incurvés en plans, s’arc-boutent sur les flancs de la vallée: lorsque la vallée s’élargit, leur domaine d’application a une limite qui recule progressivement depuis un demi-siècle grâce aux progrès de la technique. Actuellement, à titre d’ordre de grandeur, on situe cette limite, par exemple pour un barrage d’une centaine de mètres de hauteur, à des vallées dont la largeur au couronnement est de l’ordre de six fois la hauteur de l’ouvrage.

– Les barrages à contreforts, constitués par une série de grands murs triangulaires parallèles au lit du cours d’eau et liés entre eux à l’amont par une paroi assurant la bouchure. Du fait de leur constitution répétitive, ces ouvrages sont applicables, comme les barrages-poids, à toute vallée quelle qu’en soit la largeur.

Les ouvrages en béton nécessitent une fondation rocheuse de bonne qualité. Une exception peut, toutefois, être faite pour des barrages de hauteur modérée, composés d’un radier et de piles servant de support à des grandes vannes, que l’on désigne sous le nom de barrages mobiles et qui sont souvent fondés sur les alluvions de sable et de graviers.

Barrages en matériaux meubles ou semi-rigides

Ces ouvrages peuvent, eux aussi, appartenir à plusieurs catégories:

– les barrages en enrochement, dont le corps résistant à la poussée de l’eau est un remblai de matériaux rocheux de toutes dimensions allant jusqu’à des blocs de plusieurs tonnes. L’étanchéité est obtenue soit par une paroi en béton de ciment ou en béton bitumineux sur la face amont, soit par un noyau d’argile étanche;

– les barrages en terre compactée, constitués soit par une terre de composition homogène dans tout le corps de l’ouvrage, soit par des terres de plusieurs provenances que l’on dispose en zones dans le corps du massif selon leur degré de perméabilité après compactage;

– les barrages mixtes qui comprennent une partie centrale étanche en terre argileuse compactée, appelée noyau, et, de part et d’autre, des enrochements ou des alluvions de rivière.

Les barrages en enrochement ne nécessitent pas une fondation rocheuse d’aussi bonne qualité que les barrages en béton, mais il convient que le sol de fondation ne soit pas trop compressible. Les barrages en terre, beaucoup plus souples, peuvent s’accommoder de presque tous les sols de fondation.

Le développement des méthodes d’exécution des barrages en remblais a permis, au cours de la dernière décennie, la réalisation de barrage en béton compacté au rouleau, matériau qui, à long terme, s’apparente au béton, mais est mis en œuvre comme un remblai. Le barrage de Willow Creek, aux États-Unis, achevé en 1982, est le premier ouvrage ayant utilisé en totalité ce nouveau matériau. Depuis cette date, la technique connaît un grand développement et de nombreux barrages sont soit terminés, soit en construction, soit en projet aux États-Unis, au Japon, en Chine, en Afrique du Sud, en Grande-Bretagne, en Espagne, en France...

3. Motivation des choix

Assurer la sécurité de l’ouvrage ainsi que celle de sa fondation sont les aspects majeurs qui doivent guider la conception d’un barrage. Ensuite, les choix techniques qui restent possibles doivent tenir compte des incidences sur l’environnement et de l’économie d’ensemble du projet.

La sécurité

La prise en compte de la sécurité commence au niveau des études avec, en particulier, les points suivants: analyse de la précision de la validité des données hydrologiques; définition des plus grandes crues risquant de survenir; analyse des conditions de niveau d’eau et de l’écoulement des crues à l’aval du barrage; prise en compte des conditions climatiques extrêmes; définition des charges appliquées à l’ouvrage y compris pendant sa construction; analyse de la stabilité de la fondation et de celle des versants de la retenue; analyse des déformations de l’ouvrage et contrôle de leur compatibilité avec celles de la fondation; analyse des risques d’évolution des propriétés des matériaux à long terme; analyse de la perméabilité de la fondation et définition des dispositions nécessaires pour réduire les percolations; analyse des risques sismiques et contrôle du comportement éventuel de l’ouvrage et du lac artificiel qu’il crée sous le plus grand séisme possible...

La sécurité doit également intervenir dans la conception de tout le matériel qui sera utilisé pour l’exploitation de l’ouvrage et la définition des règles de cette exploitation, cela concernant également les instruments d’auscultation.

L’économie

Les choix techniques doivent tenir compte des contraintes économiques. Elles interviennent dès la définition de la capacité de la retenue qui doit être choisie en fonction de l’évolution des besoins dans le temps (progression de la mise en irrigation effective d’un périmètre, croissance des besoins en électricité, en eau potable, en eau industrielle...). Elles jouent aussi un rôle important dans la comparaison des différentes solutions techniques envisageables pour un site donné et une capacité de retenue définie (type de barrage, dispositions des ouvrages annexes).

Il faut noter que les divers ouvrages annexes sont beaucoup plus coûteux dans le cas des barrages en matériaux meubles que dans le cas des barrages en béton: évacuateur de crues, prises d’eau, ouvrages de dérivation provisoire des eaux pendant la construction. Il y a encore, de ce fait, un avenir brillant pour les barrages en béton, particulièrement pour les barrages-voûtes et les barrages à contreforts. Dans bien des cas, les deux techniques se marient, le corps en béton contenant les ouvrages annexes étant prolongé de part et d’autre par des massifs de terre ou d’enrochement.

Depuis le début du siècle, les choix n’ont pas connu des évolutions parallèles dans les divers pays. Jusqu’en 1914, une grande floraison de barrages-voûtes a vu le jour aux États-Unis. Puis, après la Première Guerre mondiale, les ingénieurs américains se sont davantage orientés vers les barrages massifs en béton ou en terre, au moment même où l’Europe connaissait le début d’un essor considérable des barrages-voûtes. Parmi les raisons de cette divergence, il paraît certain que l’élévation des salaires et la baisse du prix des matériels et des matériaux ont éloigné les Américains des ouvrages aux formes très élaborées.

Les différents pays manifestent, en ce domaine comme dans beaucoup d’autres, leur génie propre. Mais, malgré l’originalité des conceptions, la rencontre des pensées et des techniques se fait toujours plus étroite, grâce aux liens qui unissent les constructeurs de barrages du monde entier, à la diffusion de leurs œuvres par les écrits techniques et aux congrès internationaux périodiques.

Avec l’avancement des sciences et des techniques, économie et sécurité sont loin d’être en opposition. En effet, bien des solutions apparaissent à la fois comme moins coûteuses et plus sûres. Mais là, comme dans toutes les œuvres humaines, des accidents surviennent par la conjonction de différentes causes. Aucune réalisation n’est à l’abri de l’imprévu qui prend le caractère d’imprévisibilité aux limites de la science.

Incidences sur l’environnement

On ne saurait terminer ce survol sans souligner l’importance capitale que revêt la prise en compte des incidences éventuelles de la construction d’un barrage sur l’environnement:

– effets physiques et biologiques, comme les corps flottants, le transport solide, le transport d’éléments nutritifs, le transport d’eau salée, l’effet de la submersion sur la faune, l’influence sur le climat, les effets sur les eaux de la retenue, les modifications du niveau des nappes phréatiques, les séismes induits;

– conséquences d’ordre social négatives telles que les déplacements de population, les submersions de terres cultivables et de sites archéologiques ou bénéfiques sur le paysage, le tourisme et les loisirs, l’infrastructure routière, le développement de la pêche et la prévention des incendies.

4. Les barrages en béton

Barrages-poids

Les barrages-poids modernes ont pratiquement tous la même coupe transversale triangulaire, le sommet du triangle placé au niveau le plus haut que pourra atteindre le plan d’eau, le parement amont vertical ou voisin de la verticale et le parement aval incliné de telle sorte qu’à chaque niveau l’épaisseur soit d’environ 80 p. 100 de la hauteur. Leur tracé en plan peut être rectiligne, et chaque tranche verticale résiste par elle-même aux forces qui lui sont appliquées sans qu’aucun lien soit nécessaire avec les tranches voisines.

Le poids P doit être suffisant pour empêcher le massif de glisser sur sa fondation ou de basculer autour de l’arête aval de son pied. Mais ce poids doit être diminué des forces ascendantes de sous-pression dues aux écoulements éventuels de l’eau au contact du béton et du rocher ou dans les diaclases du rocher. Pour en réduire l’intensité, on obture, dans toute la mesure du possible, les passages d’eau en sous-sol par des injections de ciment jusqu’à une profondeur suffisante, compte tenu de la géologie de la fondation du barrage; enfin, en aval de cet écran, on décharge les pressions d’eau résiduelles dans le rocher par des trous de drainage également profonds (fig. 1).

L’expérience montre que, d’une manière générale, pour tous les ouvrages fondés sur un rocher de bonne qualité, on obtient une marge de sécurité confortable vis-à-vis du glissement si le rapport F/V des forces horizontales aux forces verticales est inférieur à 0,75. Pour le profil triangulaire de la figure 1, ce rapport est de 0,55 s’il n’y a pas de sous-pression, mais si elle existe et qu’elle décroît linéairement de la valeur maximale en amont à une valeur nulle, au pied aval, le rapport atteint la valeur excessive de 0,90. Il est donc nécessaire de modifier la forme du réseau hydraulique dans les fissures du sous-sol, ce qui est réalisé par le double écran d’injection et de drainage.

L’eau peut aussi s’insinuer dans le corps même du barrage, à la faveur d’imperfections inévitables, telles que peuvent en présenter les surfaces de contact entre les couches successives de béton, ou à la faveur de fissures de retrait, ou aussi par simple porosité du béton. La défense contre les effets de ces pressions interstitielles est la même que contre les sous-pressions à la base, ce qui justifie le profil triangulaire qui, géométriquement et mécaniquement, reste toujours semblable, quel que soit le niveau horizontal où s’effectue le calcul de stabilité.

Le profil triangulaire n’est devenu classique que depuis le début du siècle. Les barrages anciens, tels que les barrages espagnols construits en maçonnerie aux XVIe et XVIIe siècles, étaient beaucoup plus massifs et inutilement épais. Mais, dans la deuxième moitié du XIXe siècle, commença à prendre corps la théorie statique des barrages-poids avec les études de M. de Sazilly (1853). M. Delocre (1865) et William John McQuorn Rankine (1872). Ces auteurs ont tracé des profils tels que la résistance au glissement soit assurée sur le plan de fondation mais sans tenir compte des effets de la sous-pression dont ils ont ignoré l’existence. D’autre part, comme ces barrages étaient construits en maçonnerie hourdée à la chaux, ils limitaient le taux de compression de cette maçonnerie à une valeur très faible, en général 0,6 MPa. Dans ces conditions, les profils obtenus étaient suffisamment épais, mais les progrès réalisés dans la fabrication des liants hydrauliques les amenèrent à porter à 0,8 MPa le taux de compression de la maçonnerie, diminuant progressivement les épaisseurs. C’est alors qu’apparut l’instabilité due aux sous-pressions avec la rupture du barrage de Bouzey dans les Vosges, en 1895. Ce barrage, d’une vingtaine de mètres de hauteur, fondé sur un sol fissuré et poreux donna lieu, en 1884, à un premier accident grave par glissement de l’ouvrage sur sa base; le déplacement avait intéressé une longueur de 135 m et atteignait une ampleur variable avec un maximum de 34 cm, puis la butée sur le terrain en aval avait arrêté le mouvement (fig. 2 a). Maintenu en service, puis renforcé à son pied (fig. 2 b), il se rompit cependant le 27 avril 1895 par un basculement brutal de ses 10 m supérieurs sur une longueur de 170 m.

C’est alors que M. Levy, dans un mémoire à l’Académie des sciences, le 5 août 1895, mit en lumière l’action des sous-pressions sous la base des ouvrages et l’action des pressions interstitielles dans le corps même de la maçonnerie.

Le profil triangulaire de la figure 1, avec ses drains et ses galeries de visite, se répète sur toute la longueur du barrage, mais il faut couper celui-ci tous les 15 m environ par un joint qui autorise un petit jeu entre les blocs successifs pour absorber les dilatations et contractions thermiques. L’effet thermique le plus important provient de ce que la prise du ciment dégage une forte quantité de chaleur. Dans les jours qui suivent la mise en œuvre du béton, la température s’élève de plusieurs dizaines de degrés. La chaleur met ensuite d’autant plus de temps à se dissiper que l’ouvrage est plus épais. Cette période, pendant laquelle le matériau se contracte, se compte en mois et même en années. En l’absence de coupures transversales convenablement espacées, il se produirait des fissures pendant cette contraction. Les variations thermiques annuelles ont également un effet sur quelques mètres de profondeur.

Divers moyens sont employés pour réduire la montée en température ou pour accélérer le refroidissement: limitation de la hauteur des couches successives de béton avec interruption de deux ou trois jours du bétonnage du même bloc; dans les pays chauds, refroidissement des matériaux et emploi de glace pour le gâchage du béton; refroidissement de la masse du béton durci par circulation d’eau froide dans un réseau de tubes, placés à cet effet, pendant le bétonnage, etc.

Les joints sont obturés à leur extrémité amont par des lames de caoutchouc ou de polychlorure de vinyle PVC de forme adéquate dont les extrémités sont prises dans le béton de deux blocs adjacents. Certains constructeurs complètent cette étanchéité par un puits de quelques décimètres de côté, qui enjambe le joint sur toute sa hauteur et qu’on remplit à chaud de bitume.

Le barrage-poids est soumis à des forces dont l’équilibre est très sensible à une variation de leur intensité. C’est ainsi qu’une augmentation intempestive de 1 p. 100 de la hauteur d’eau accroîtra de 2 p. 100 la poussée F (fig. 1) et le rapport F/V caractéristique de la stabilité. La surélévation du plan d’eau capable d’entraîner le glissement de l’ouvrage sur sa base n’est pas considérable. Or l’augmentation de la hauteur d’eau peut se produire en cas de crue exceptionnelle si celle-ci a été sous-estimée lors de la conception des ouvrages d’évacuation des crues: il convient donc d’être très prudent dans cette estimation. Elle pourrait aussi survenir du fait d’un soulèvement du fond du réservoir ou d’un balancement du plan d’eau consécutif à un événement sismique, ou bien à la suite d’un important glissement de terrain en bordure de la retenue. La force horizontale F peut être accrue également par un apport de vase en suspension qui augmente la densité de l’eau. D’un autre côté, la force verticale stabilisatrice V peut se trouver diminuée si les sous-pressions ont été sous-évaluées ou si, dans la suite des années, il s’est produit un colmatage des drains et des fissures. D’où la nécessité d’une surveillance et d’une auscultation attentives.

C’est en fonction de ces éventualités que peut être apprécié le coefficient de sécurité d’un barrage-poids. Par contre, il n’y a, dans ce type de barrage, aucun risque de rupture par écrasement du béton: la contrainte de compression pour un ouvrage de moins de 200 m de haut n’atteint pas 5 MPa, alors que le béton a toujours au moins 30 à 40 MPa de résistance.

Barrages-voûtes

Un barrage-voûte s’arc-boute sur les flancs de la vallée pour leur transmettre les efforts provenant de la poussée de l’eau (fig. 3). Son mode de résistance est différent de celui d’un barrage-poids et son degré de sécurité, qui s’apprécie en fonction de l’événement qui risque le plus de provoquer sa ruine, relève d’un tout autre critère.

En effet, contrairement à un barrage-poids, dans un barrage-voûte, c’est la résistance mécanique du béton et de la roche d’appui, comparée à la contrainte imposée, qui constitue le critère de sécurité. Ce coefficient de sécurité est toujours très confortable, au minimum 3 ou 4 et même plus, ce qui place les barrages-voûtes, dans leur ensemble, parmi les œuvres les plus sûres construites de main d’homme. On peut rappeler que l’un des plus hauts barrages-voûte du monde, le barrage de Vajont en Italie (262 m), a résisté remarquablement à l’épreuve à laquelle il a été soumis, lorsque, le 9 octobre 1963, le glissement brutal de 350 millions de mètres cubes de rocher dans le lac a produit au-dessus de l’ouvrage une gerbe d’eau de 200 m de hauteur suivie par un déversement prolongé d’une lame d’eau de 15 à 20 m d’épaisseur.

L’origine des barrages-voûtes est lointaine et il semble que le plus ancien connu à ce jour soit une ruine romaine à Saint-Rémy-de-Provence. En Espagne, deux barrages de ce type (Almanza et Elche) ont été construits au XVIe siècle. En Italie, l’ouvrage de Pontalto, près de Trente, a été commencé en 1612 et surélevé plusieurs fois jusqu’en 1887. En France, le barrage Zola, construit pour alimenter en eau potable la ville d’Aix-en-Provence, date de 1843 (37 m de hauteur, 62 m de longueur en crête). Ensuite, de nombreux barrages-voûtes ont vu le jour au début du XXe siècle en Californie et ont été suivis, en Europe d’abord puis dans tous les pays du monde, par plusieurs centaines d’ouvrages de toutes tailles, jusqu’aux plus grands.

Le calcul des barrages-voûtes est très complexe si l’on veut l’aborder en toute rigueur, car l’ouvrage, encastré dans le rocher, au fond du lit et sur les flancs de la vallée, est hautement hyperstatique. On ne peut, en fait, traiter le problème qu’en effectuant dans l’ouvrage un découpage plus ou moins poussé en éléments accessibles au calcul.

Depuis le début du siècle, des étapes successives ont été franchies dans l’analyse, de plus en plus fine, du comportement des fragments ainsi découpés et de leur assemblage. Mais on peut faire une constatation remarquable, à savoir que, dans l’immense majorité des cas courants, les calculs les plus rustiques permettent de tracer des ouvrages offrant toute garantie de sécurité. Les pionniers de Californie, auteurs des barrages du début du siècle, cherchaient à créer à bon compte des réservoirs pour l’irrigation, sans se soucier de calculs savants, et aucun de ces ouvrages, dont certains sont hardis jusqu’à la témérité, n’a donné lieu à accident. Cela ne signifie pas que les progrès des méthodes de calcul aient été vains. Bien au contraire, ils ont permis, par une meilleure connaissance de la répartition des contraintes, de mieux disposer la matière, de faire des économies et d’aborder la construction d’ouvrages plus importants, toujours plus hauts ou obturant des vallées de largeur croissante.

L’évolution des méthodes d’analyse a suivi le développement des moyens de calculs, et est passée par les étapes suivantes:

– Découpage du barrage en anneaux horizontaux supposés indépendants. Si le béton et le rocher étaient indéformables, on pourrait appliquer, à chaque anneau circulaire, la formule du tube pour calculer la contrainte de compression dans le béton qui serait alors égale à pR/e, où p est la pression, R le rayon de l’anneau et e son épaisseur. Comme cela n’est pas le cas, il se crée des flexions qui modifient la répartition des contraintes, et pour des arcs peu élancés, que l’on trouve par exemple à la partie basse des ouvrages, il peut apparaître des zones de traction (hachurées sur la figure 3).

Henri Résal, en 1919, a proposé de calculer ces arcs épais en traçant à l’intérieur un anneau fictif plus mince entièrement comprimé, la «voûte active» (fig. 4).

– Prise en compte de l’interaction des arcs par l’effet «console». Une coupe verticale telle que CC (fig. 5) se présente comme un mur encastré à sa base (dénommé «console»), moins épais que le barrage-poids de la figure 1, mais capable cependant de supporter, sans se rompre, une certaine fraction de la pression d’eau. Sous cette action, il subira, vers l’aval, des déformations notées d1, d2, etc., sur la figure 5.

La méthode de calcul, préconisée par Résal (1919), consistait à décomposer le barrage en un certain nombre d’arcs horizontaux supportant chacun une pression égale à une fraction de la pression hydrostatique, le solde étant supporté par une console. Les déformations des arcs au droit de la console devant être égales à celles de la console, il est possible, par itérations successives, de répartir la pression hydrostatique entre les arcs et la console.

– Les perfectionnements successifs de la méthode précédente. Ceux-ci ont consisté progressivement à considérer plusieurs consoles au lieu d’une (A. Stucky, 1922); à tenir compte des déformations linéaires dans les trois directions (radiale, tangentielle et verticale) et des rotations (H. M. Westergaard, 1931).

Le découpage de la voûte en arcs et en consoles, dont les intersections sont les nœuds, peut être exprimé sous la forme d’un système d’équations linéaires (six par nœud). La résolution d’un tel système demande des moyens de calcul puissants. Des méthodes approchées (trial load ), ne tenant compte que de trois paramètres au lieu de six, ont été utilisées après la fin de la Seconde Guerre mondiale.

La modélisation mathématique, en particulier l’utilisation de la méthode des éléments finis tridimensionnels, a remplacé les moyens précédents et la modélisation physique (modèles en plâtre). Les développements de la programmation sur ordinateur de différentes méthodes de calcul (avec génération de maillage et visualisation interactive permettant de modifier aisément une partie des données de l’ouvrage) permettent désormais d’obtenir des solutions pleinement satisfaisantes.

Un aspect fondamental de la question des barrages-voûtes est celui de la largeur limite des vallées dans lesquelles de tels ouvrages peuvent être implantés. Le barrage de Pontalto avait une longueur en crête de 13 m pour une hauteur de 39,50 m à son stade final. Peu à peu, il est apparu que l’on pouvait, techniquement et économiquement, projeter des barrages-voûtes dans des vallées beaucoup plus ouvertes. Le rapport entre la largeur de la vallée, au niveau du couronnement, et la hauteur du barrage a progressivement augmenté jusqu’à atteindre des valeurs de 5, pour des ouvrages de plus de 100 m, à 10, pour des ouvrages de plus faible hauteur.

Les recherches, sur modèle réduit en plâtre, ont permis à André Coyne de résoudre remarquablement le problème du barrage de Kariba sur le Zambèze (largeur de vallée en crête 617 m, hauteur 128 m) grâce à un profil inusuel ayant presque la même épaisseur sur toute la hauteur (fig. 6). Le volume d’un barrage-voûte n’est qu’une fraction du volume du barrage-poids correspondant, mais cette fraction est pratiquement proportionnelle à la largeur de la vallée. Dans les cas courants, elle se situe entre un tiers et deux tiers. Plus la vallée s’élargit, plus l’intérêt économique diminue, bien que la limite ait été reculée considérablement par les progrès réalisés au cours des quarante dernières années.

De même que les barrages-poids, les barrages-voûtes doivent, au cours de leur construction, être découpés en blocs ou plots séparés par un coup de sabre. Mais ce joint doit, après refroidissement et contraction du béton, être rempli par injection de ciment (clavage) de telle sorte que la continuité des arcs soit réalisée et que ces derniers puissent, dès l’application de la pression de l’eau et sans flexion inutile des consoles, transmettre aux rives leur poussée.

Barrages à contreforts et voûtes multiples

Un barrage à contreforts comprend deux éléments fondamentaux (fig. 7):

– une série de murs parallèles, généralement de profil triangulaire, orientés dans le sens de la vallée, plus ou moins épais et plus ou moins espacés, et résistant à la poussée de l’eau grâce à un équilibre statique du même type que les tranches d’un barrage-poids;

– une bouchure entre contreforts, transmettant à ceux-ci la poussée de l’eau; elle peut être constituée par des dalles planes (de type Ambursen adopté souvent pour des barrages de faible hauteur), par des voûtes en forme de demi-cylindres, ou enfin par des épaississements des contreforts à leur extrémité amont tracés de manière à former une paroi continue.

Sur la figure 7, le parement amont du contrefort présente une forte inclinaison, alors qu’il est vertical dans le cas d’un barrage-poids. L’avantage de cette disposition est de faire participer le poids de l’eau à la stabilité de l’ouvrage et de permettre, en conséquence, une réduction considérable du poids de béton nécessaire et donc du volume à mettre en œuvre. À titre d’indication, si l’inclinaison du parement amont est de 450, le volume du barrage à contreforts n’est que de 20 à 25 p. 100 du volume du barrage-poids. Pour un parement plus raide (2 verticalement pour 1 horizontalement), ce pourcentage est de 50 p. 100.

Les surfaces de contact béton-rocher, sur lesquelles agissent les sous-pressions, sont de faible étendue et souvent limitées à la fondation des voûtes et à l’extrémité amont des contreforts. Le drainage du rocher est effectué avec beaucoup plus de facilité, d’efficacité et de certitude que sous la masse d’un barrage-poids. Ce sont d’ailleurs les sous-pressions et les pressions interstitielles qui ne permettent pas de bénéficier, pour le barrage-poids, de l’économie que procurerait l’inclinaison du parement amont. Des solutions partielles sont obtenues par les barrages-poids évidés.

En ce qui concerne l’épaisseur et l’entraxe L des contreforts, les ouvrages en service présentent une gamme de solutions extrêmement étendue. Pour les contreforts à tête élargie, on se tient généralement à 15 m, quelquefois 20 m, mais, au-delà, les parties en porte à faux se compliquent d’armatures coûteuses. En revanche, pour les barrages à voûtes multiples, on trouve toutes les solutions, depuis des contreforts de quelques décimètres d’épaisseur espacés de 5 ou 6 m, jusqu’à des contreforts de plusieurs mètres, à intervalles de 50, 60 ou 80 m. La tendance actuelle, surtout dans l’école française, va vers les grands entraxes. Celle-ci se justifie par diverses considérations: si le rocher de fondation est recouvert d’une couche épaisse d’alluvions ou de rocher altéré, les fouilles des contreforts peuvent être individualisées si l’écartement est grand; sinon, les tranchées se recouvrent et on est amené, en fait, à dégager entièrement toute l’emprise du barrage, ce qui est inutilement coûteux; les contreforts minces nécessitent des armatures et des butoirs de l’un à l’autre pour résister aux secousses sismiques transversales; enfin, les surfaces de coffrage, toujours coûteuses, se trouvent multipliées et leurs formes compliquées.

Barrages mobiles

Les barrages mobiles sont des ouvrages de hauteur limitée, généralement construits dans la partie aval du cours des rivières où la pente est faible. Leur conception permet de ne modifier que le moins possible la situation hydraulique existant en période de hautes eaux pour éviter de submerger les plaines à l’amont. Ils comportent une bouchure constituée par des grandes vannes métalliques qui peuvent s’effacer totalement en périodes de crues, et une infrastructure en béton formée par des piles et des radiers, qui peut s’adapter à tous les types de fondation. Par un réglage adéquat de l’ouverture des vannes, il est possible avec ce type de barrages de maintenir les cotes des plans d’eau à l’amont constantes.

En France, les barrages mobiles ont connu un grand développement quand le cours des fleuves et rivières a été rendu navigable. On en trouve de nombreux le long de la Seine et de ses affluents, de la Moselle, et surtout du Rhin et du Rhône. Ils sont donc souvent associés à des écluses permettant le franchissement, par la navigation, de la chute créée par le barrage. Cette chute est également très souvent utilisée pour la production d’électricité.

En France, la Compagnie nationale du Rhône a été chargée de tous les aménagements du Rhône sur lequel il reste encore deux chutes à équiper, Loyettes et les Portes du Rhône. Les études de la liaison Rhin-Rhône (liaison fluviale à grand gabarit) lui ont également été confiées.

Ce type de barrage est également utilisé dans les aménagements des estuaires et des deltas, que ce soit pour la production d’énergie marémotrice (barrage et usine de la Rance en France, E.D.F., 1966) pour la protection de l’eau douce contre la remontée des eaux salées (barrage de Diama au Sénégal, 1986) ou pour des buts multiples comme le grand projet dit plan Delta aux Pays-Bas, dont les travaux ont duré de 1967 à 1986, et qui comprend 5 grands barrages. Celui qui barre l’Escault oriental comporte 66 piles, dont la hauteur est comprise entre 35 et 45 m, préfabriquées dans des polders et reliées par des vannes de 18 000 m2 de surface totale. La réalisation de cet ouvrage a nécessité la mise en place d’importantes protections du fond marin, constitué de sable fin, et la construction de deux îles artificielles.

En plus du développement du commerce et de la navigation, le plan Delta a permis de protéger le littoral contre les risques d’inondation par la mer (fortes marées, tempêtes, raz de marée), le stockage d’eau douce, l’insalinisation des fleuves et enfin la création de polders.

5. Les barrages en matériaux meubles ou semi-rigides

Bien que les barrages en terre comptent parmi les ouvrages les plus anciens et que la Commission internationale en ait recensé 950 antérieurs à 1900 (de plus de 15 m de hauteur), dont 650 au Japon – le plus vieux datant de l’année 162 –, il ne sera question ici que des techniques modernes.

Les barrages en matériaux meubles peuvent utiliser en grande partie des matériaux naturels; il s’agit donc de les choisir, en tenant compte des frais d’extraction et de transport. C’est seulement après avoir prospecté les gisements économiquement exploitables et déterminé les diverses propriétés des matériaux qui lui sont offerts que le projeteur détermine le profil de l’ouvrage, dont les figures 8 à 11 donnent quelques exemples.

Les matériaux vont de l’argile jusqu’aux plus gros enrochements de carrière pesant plusieurs tonnes, en passant par tous les intermédiaires, sables et galets de rivière, tous résidus de carrière d’exploitation minière et industrielle, etc. Les plus fins sont doués de frottement et de cohésion; par compactage, ils permettent d’obtenir des massifs étanches. Les plus grossiers ne peuvent être utilisés que pour constituer des massifs résistant à la poussée de l’eau. S’ils sont employés seuls, il est nécessaire de revêtir le massif d’un masque d’étanchéité, généralement exécuté en dalles de béton ou en béton bitumineux; ils peuvent aussi constituer les massifs d’appui d’un noyau plus ou moins épais en terre compactée.

Barrages en terre

Mis à part les organes annexes destinés à contrôler la filtration de l’eau dans le massif lui-même et dans sa fondation, il existe trois schémas principaux de structure des ouvrages en terre: le barrage homogène, le barrage à profil zoné avec noyau étanche, le barrage à masque amont.

Lorsqu’on dispose sur place et en quantité suffisante de matériaux terreux, permettant d’obtenir avec compactage des conditions d’étanchéité et de stabilité satisfaisantes, le type de barrage le plus simple à réaliser est le barrage en terre homogène (fig. 8) constitué par un massif en terre compactée. Ce massif est muni, pour les ouvrages de hauteur notable, d’un dispositif de drainage interne et du contact avec la fondation dans la partie aval. Il comporte aussi une protection du talus amont contre les vagues et les mouvements de la retenue.

Souvent, l’hétérogénéité des matériaux disponibles sur place, ou leurs caractéristiques géotechniques, ne permettent pas d’envisager un barrage homogène. Dans ce cas, on adopte un profil zoné (fig. 9), chaque zone étant constituée d’un matériau différent choisi en fonction du rôle qu’il doit jouer: terre imperméable pour la partie centrale ou noyau (vertical ou incliné vers l’amont), terre semi-imperméable pour la zone amont et terre perméable pour la partie aval.

Mais la réalisation d’un noyau étanche peut se heurter à des difficultés telles que le manque de matériau convenable ou la difficulté de mise en œuvre... On peut alors avoir recours à un masque amont étanche posé sur une digue homogène ou à une paroi d’étanchéité réalisée à l’intérieur de la digue. Il existe de nombreuses natures de masque étanche telles que le béton de ciment ou bitumineux, les chapes préfabriquées, les membranes souples... Ces dispositifs présentent l’avantage de pouvoir être exécutés après l’édification du remblai et de pouvoir être réparés. Ils sont, par contre, plus exposés aux agressions extérieures et de ce fait sont plus fragiles que le noyau interne.

Les problèmes fondamentaux relatifs à la conception des barrages en matériaux meubles sont la stabilité et donc l’inclinaison des talus et la maîtrise des pressions interstitielles.

Les principes élémentaires de la mécanique des sols appliqués aux données physiques (angle de frottement 﨏 et cohésion c ), qui sont recueillis sur les matériaux employés pour la construction, permettent de déterminer le coefficient de sécurité relatif à la courbe de glissement du talus, courbe conchoïdale qu’on assimile généralement à un arc circulaire (fig. 12).

Ce coefficient résulte de la comparaison des forces motrice et résistante. La première est la somme des composantes tangentielles du poids des tranches élémentaires telles que ABA B ; la seconde est le cumul, sur les longueurs telles que BB , des forces antagonistes de frottement et de cohésion c + N tan 﨏, où N est l’effort normal. Comme on ne connaît pas a priori la courbe de glissement la plus probable, on étudie un grand nombre de ces cercles. La courbe probable de rupture potentielle est celle qui donne le coefficient de sécurité minimal. Lorsque le sous-sol est lui-même un matériau meuble, on doit aussi étudier les cercles de glissement qui pénètrent à l’intérieur du terrain, car il arrive souvent que ce soit la fondation elle-même qui se trouve en déséquilibre.

Suivant la valeur trouvée pour le coefficient de sécurité du cercle le plus dangereux, dit cercle critique, on adaptera, en conséquence, l’inclinaison fixée pour le talus soit en le raidissant, soit en l’adoucissant.

On étudie généralement la stabilité du remblai en fin de construction, en régime permanent après remplissage du réservoir (plus critique pour le talus aval) et en cas de vidange rapide du réservoir (plus critique pour le talus amont), en tenant compte des pressions interstitielles et des forces d’écoulement correspondantes. Dans certains cas (noyau incliné, couche de faibles caractéristiques mécaniques dans la fondation), la ligne de glissement la plus critique n’est pas circulaire mais polygonale.

Pour les barrages en matériaux meubles susceptibles d’être soumis à des séismes, il faut également analyser leur stabilité sous l’effet de sollicitations cycliques, tant en ce qui concerne les déformations permanentes de l’ouvrage que la diminution éventuelle de la résistance mécanique des matériaux.

Lorsqu’on compacte une terre humide, les interstices entre les grains solides sont remplis d’eau et d’air. Pour que la résistance au cisaillement soit assurée, il faut que les grains solides soient imbriqués et pressés les uns contre les autres; il faut donc éviter un excès d’eau de malaxage.

Mais, lorsqu’une couche a été convenablement compactée et qu’on la charge du poids des couches supérieures, on augmente son tassement. Suivant le degré d’imperméabilité de la terre, l’air peut ou non s’échapper. Les vides pourront alors être soit remplis d’eau sous une pression qui augmentera avec la charge, soit occupés par de l’eau et de l’air comprimés. Cette pression U est la pression interstitielle; dans tous les cas, la résistance au cisaillement s’en trouvera affectée dans une mesure qui peut être importante. En effet, la résistance de frottement est proportionnelle à la pression de contact entre les grains de matière solide; cette pression se trouve diminuée de la part U qui est transmise par le milieu fluide. La résistance de frottement est ainsi réduite dans le rapport (N 漣 U)/N.

Les pressions interstitielles peuvent atteindre des valeurs très élevées et il y a lieu d’en tenir le plus grand compte dans le calcul de stabilité des talus. Elles se dissipent d’ailleurs peu à peu par expulsion d’eau à l’extérieur du massif; mais plus celui-ci est imperméable plus le temps de cette expulsion est long. Pratiquement, il se chiffre en mois ou même en années. C’est donc pour les ouvrages une maladie de jeunesse.

Les sollicitations cycliques, d’origine sismique, engendrent des surpressions interstitielles dynamiques, dont l’accumulation peut entraîner la liquéfaction de matériaux sableux fins saturés et insuffisamment denses, dans le corps du barrage ou dans sa fondation.

Les premiers grands barrages en terre construits aux États-Unis après la Première Guerre mondiale ont souvent été réalisés par «remblayage hydraulique». Cette méthode, très économique, consiste à draguer des matériaux de toutes dimensions dans le lit de la rivière, à transporter ces matériaux, mélangés d’eau, dans de longues canalisations et à les déverser aux deux extrémités du profil du barrage en construction. Les matériaux les plus gros se déposent les premiers et les plus fins se rassemblent dans la partie centrale de l’ouvrage pour y former, sans autre intervention, un noyau étanche; l’eau en excédent est évacuée par des exutoires divers. Un profil rationnel se réalise ainsi tout seul.

Malheureusement, ce procédé a donné lieu à de nombreux déboires, au cours de la construction de ces barrages, par le fait que la partie centrale argileuse comporte un gros excès d’eau et que les pressions interstitielles y prennent naissance en exerçant des poussées excessives sur les parties voisines. C’est ainsi que le barrage de Fort Peck, sur le Missouri, achevé en 1940 et qui reste, avec 96 millions de mètres cubes de terre, le troisième ouvrage du monde par son volume, a subi en cours de travaux un glissement de plusieurs millions de mètres cubes dû à la poussée du noyau sur la recharge aval.

Depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, la technique du remblayage hydraulique a été abandonnée au bénéfice du compactage (sauf quelques exceptions, par exemple en U.R.S.S., sur la Volga et le Dniepr, où les sables fins ne contiennent pas d’argile et ont, de ce fait, une perméabilité très faible mais suffisante pour que les pressions interstitielles disparaissent en un temps relativement court). Les progrès considérables réalisés dans les gros engins de terrassement permettent, actuellement, de construire, dans des conditions très économiques, des massifs aussi volumineux que précédemment, mais plus stables. La terre y est mise en œuvre scientifiquement, avec une teneur en eau bien déterminée, un état final de tassement connu et des propriétés mécaniques définies avec une grande précision.

Par des essais préliminaires de laboratoire, l’ingénieur détermine, pour diverses valeurs de l’énergie de compactage, la quantité d’eau optimale permettant d’obtenir la terre la plus compacte. Puis, par des essais à plus grande échelle comportant l’usage des engins de compactage prévus sur le chantier, il peut établir une échelle de correspondance entre l’énergie du laboratoire et l’énergie développée par un plus ou moins grand nombre de passages d’engins sur le remblai.

Les engins de compactage utilisés sont de diverses sortes: rouleaux statiques à cylindre lisse; rouleaux à pneus automoteurs ou tractés (pouvant atteindre une charge de 25 t par pneu); rouleaux à pieds de diverses formes – pieds coniques, pieds prismatiques, pieds de mouton, pieds en club (pouvant exercer au fond de l’empreinte une pression de 0,7 à 1,5 MPa), rouleaux vibrants (pouvant atteindre une charge de 16 à 20 t). Ces derniers sont de plus en plus employés car ils sont très efficaces et permettent de compacter toutes sortes de matériaux, depuis les terres fines jusqu’aux gros enrochements. Les engins de compactage circulent constamment en passant plusieurs fois au même endroit, suivant les résultats d’essais préalables et d’essais de contrôle.

Barrages en enrochement

Un barrage en enrochement est essentiellement un «grand tas de gros cailloux», la fonction de résistance à la poussée de l’eau étant assurée par le poids du massif. Comme ce dernier n’est pas imperméable par lui-même, il faut lui adjoindre un organe d’étanchéité qui constitue la partie la plus délicate de l’ouvrage. L’enrochement étant un matériau dépourvu de cohésion, la stabilité du massif est assurée par le frottement intervenant entre les blocs.

Les enrochements peuvent être utilisés soit comme constituant de la totalité du massif, qui doit alors être revêtu d’un manteau étanche, soit comme recharge d’un noyau de terre compactée, de part et d’autre de celui-ci. Le principal problème que pose la mise en œuvre des enrochements est le tassement, dont une partie se produit au cours de l’exécution du remblai, une autre sous la charge d’eau et une troisième qui, différée, peut s’étaler sur des mois ou des années. Les difficultés provoquées par ce tassement résultent du fait que l’organe d’étanchéité est toujours beaucoup moins déformable que le massif, surtout s’il est constitué par un parement en béton; il en est de même, mais dans une moindre mesure, si le massif d’enrochement sert de soutien à un noyau en terre. Dans tous les cas, l’organe d’étanchéité risque d’être fissuré par le déplacement de son support rocheux. Il est donc nécessaire d’adopter des méthodes de mise en œuvre susceptibles d’obtenir le plus grand tassement possible du remblai au fur et à mesure de sa construction, de sorte que les tassements ultérieurs soient aussi réduits que possible.

Dans le premier tiers du siècle, on construisit, dans divers pays, notamment en Italie et en Algérie, de grands barrages constitués par une sorte de maçonnerie cyclopéenne de pierres sèches, avec gros blocs rangés à la grue, les interstices étant calés à la main par des fragments plus petits. Mais, avec les progrès de la mécanisation, les ingénieurs américains entreprirent, après la Première Guerre mondiale, la construction de grands barrages atteignant jusqu’à 100 m de hauteur par simple déversement en vrac de blocs extraits de carrières. Au barrage de San Gabriel no 2, achevé en 1934 en Californie, ils déversèrent uniquement des gros blocs. Mais un grave incident survint lorsque, le masque en béton étant en construction et très avancé, des orages provoquèrent des tassements successifs de 1 m, puis de 3 m. Le revêtement fut ruiné et dut être reconstruit.

À la même époque fut construit le barrage de Salt Springs, en Californie, en déversant non plus uniquement les gros blocs de carrière, mais le tout-venant, du plus petit au plus gros, et en arrosant le remblai avec des lances puissantes, à raison de 3 à 5 m3 d’eau pour 1 m3 d’enrochement. Les tassements postérieurs à la mise en œuvre furent diminués dans la proportion de 5 à 1 et cette technique a sans cesse été utilisée depuis lors.

La raison de cette amélioration provient du fait que le tassement est dû à l’épaufrement des arêtes et des angles des pierres sous le poids des couches supérieures et qu’en multipliant les points de contact on répartit beaucoup mieux la charge; l’arrosage contribue à faire pénétrer les petits éléments dans les interstices des gros.

Mais les lourds rouleaux vibrants utilisés maintenant pour compacter la terre donnent d’excellents résultats pour tasser des couches d’enrochements de 1 à 2 m d’épaisseur comportant jusqu’à des blocs énormes, de dimensions voisines de l’épaisseur de la couche. Les tassements après construction sont encore quatre fois plus faibles que ceux des enrochements tout-venant déversés et arrosés. C’est désormais la technique la plus généralement employée. Le fait qu’elle ne nécessite que peu ou pas d’eau compense le prix du compactage.

En ce qui concerne les masques amont en béton, pour créer une souplesse suffisante pour s’adapter aux déformations du massif d’enrochements, une bonne solution consiste à les découper en plaques de 10 à 15 m de largeur, à y disposer des armatures, et à les articuler entre elles à l’aide de joints de caoutchouc, en les séparant par quelques centimètres d’épaisseur de matière très compressible. À chaque niveau, l’épaisseur de la dalle est d’environ 1 p. 100 de la charge d’eau mesurée en mètres. L’étanchéité amont peut également être réalisée avec des masques en béton bitumineux conçus et construits de la même manière que pour les barrages en terre.

Enfin, on notera qu’il existe, depuis plus de soixante ans, des barrages américains équipés d’une protection en tôle d’acier. L’expérience prouve que la corrosion y est très faible. Cette solution peut être intéressante, elle est néanmoins très chère.

Barrages en béton compacté au rouleau (B.C.R.)

Depuis de nombreuses années, le ciment a été employé pour améliorer les qualités géotechniques de certains remblais, supports de chaussées. Il était aussi utilisé mélangé avec du sable pour revêtir les canaux d’irrigation aux États-Unis (sol ciment).

Les progrès enregistrés après la Seconde Guerre mondiale en matière d’engins de terrassement et une meilleure connaissance théorique des barrages en matériaux meubles ont conduit à une nette prépondérance de ce dernier type de barrages. C’est pourquoi, autour des années 1970, plusieurs spécialistes du béton s’efforcèrent d’imaginer des procédés qui permettraient des économies substantielles dans la réalisation des barrages en béton.

Le noyau étanche du batardeau du barrage de Shimen à Formose, en 1960, a été construit avec un sol amélioré de ciment. Quatre ans plus tard, le barrage d’Alpe Gera, en Italie, a été réalisé avec un béton amené au dumper et régalé au bulldozer sur toute la surface du barrage.

Dans les années 1970 apparaît le béton compacté au rouleau (B.C.R.), essentiellement constitué par un remblai en graviers et cailloux de granulométrie adéquate, contenant du ciment transporté, déchargé, répandu et compacté comme du remblai. Après sa mise en place, ce matériau fait prise, comme un béton de masse, à condition de prendre des précautions suffisantes pour obtenir une qualité finale correcte. Ce matériau a été employé en grandes quantités sur le site de Tarbela, entre 1974 et 1979, pour reconstituer un massif de rocher de fondation érodé par les eaux. Depuis lors, il a été utilisé sur de nombreux sites de barrages.

Deux principes de base ont été développés en parallèle: l’utilisation du B.C.R. comme un béton pauvre en ciment pour réaliser l’intérieur des barrages-poids afin d’en réduire le coût; la conception de barrages en remblai semi-rigides, enrichis de ciment, dont le profil est intermédiaire entre les barrages-poids et les barrages en terre.

Au Japon, les études ont été menées systématiquement à la suite de la mise en place, par le gouvernement, d’une commission spéciale en 1974. Dans ce pays, où 80 p. 100 des barrages de plus de 30 m de hauteur sont en béton à cause de l’importance des débits de crues, une technique axée sur le premier principe a été développée et s’est concrétisée par l’exécution des barrages de Shimajigawa (89 m de hauteur, 1980) de Tamagawa (103 m, 1987) et de Pirika (34 m, en construction) après un essai où 13 000 m3 de ce matériau furent employés pour la protection de la vallée à l’aval du barrage de Shin-Nakano (1980).

Aux États-Unis, pour supplanter les barrages en remblais, il fallait des économies substantielles sur le coût de construction des barrages-poids en béton. Le premier barrage réalisé (Willow Creek, 52 m, 1982) s’est donc inspiré du second principe de base. Il a été suivi d’ouvrages de conception variée: Winchester (21 m, 1984), Middle Fork (38 m, 1984), Galesville (51 m, 1985), Upper Stillwater (82 m, 1987), Monksville (46 m, 1986), Grindstone Canyon (42 m, 1986) et Elk Creek (76 m, en cours). On peut, par ailleurs, signaler des réalisations récentes en Australie (Kidston, 40 m, 1984), au Brésil, en Espagne, en Grande-Bretagne et en Afrique du Sud.

En France, après des essais portant sur des portions de barrages ou des petits ouvrages, a été construit le barrage des Olivettes dans l’Hérault qui a été achevé à la fin de 1987 (hauteur 36 m, profil du type barrage-poids à parement amont vertical et à parement aval à 0,75 horizontal pour 1 vertical).

Les caractères communs à tous les barrages en B.C.R. sont: matériau très sec dont le serrage est obtenu par compactage au rouleau; réalisation par couches minces mises en œuvre avec un faible intervalle entre couches (de 1 à 3 couches par jour); teneurs en liants toujours réduites, ces derniers étant à prise lente et aussi peu exothermiques que possible (on utilise souvent des cendres volantes mélangées avec du ciment); conception aussi simple que possible de l’intérieur du barrage pour limiter les obstacles aux déplacements des engins de terrassement.

Ces ouvrages, bien qu’exécutés comme des barrages en matériaux meubles, sont à long terme semi-rigides. Ils doivent donc avoir des fondations relativement indéformables, même si ces dernières étaient jugées impropres à supporter un barrage-poids classique. Si le B.C.R. est conçu pour être à long terme un bon béton étanche, ce choix conduit à un coût relativement élevé. Il y a donc aussi des solutions où les fonctions étanchéité et résistance à la poussée hydrostatique sont dissociées comme dans les barrages en remblai à masque amont. Ce nouveau matériau, dont l’utilisation est récente, ouvre la porte à de nouvelles conceptions de barrages, qui devront être élaborées en étroite collaboration entre les futurs utilisateurs que sont les maîtres d’ouvrages, les ingénieurs conseils et les entreprises.

6. La fondation des barrages et ses traitements

La facilité d’exécution des travaux, donc leur coût final, et la qualité du barrage construit, donc la sécurité qu’il offre, dépendent étroitement d’une connaissance précise de la qualité des fondations et de celle des matériaux disponibles. Le corps du barrage, exécuté dans de bonnes conditions, présente souvent des qualités mécaniques et hydrauliques bien supérieures à celles du terrain naturel sur lequel il repose. Il faut donc bien connaître la fondation, mais aussi améliorer certaines de ses caractéristiques (étanchéité à l’amont, perméabilité à l’aval).

Géologie, géotechnique

Les barrages en béton requièrent une fondation rocheuse de bonne qualité. Mais cette affirmation de principe demande à être précisée. L’appréciation de la qualité des rochers de fondation a été très souvent, dans le passé, le résultat d’un examen visuel et il peut encore en être ainsi lorsqu’on se trouve en présence d’appuis incontestables. Mais, avec l’augmentation du nombre des ouvrages à construire, l’ingénieur se trouve devant des terrains plus complexes. Dans tous les cas, il doit faire appel à un géologue, étant bien précisé que ce métier ne s’improvise pas et nécessite une longue et étroite collaboration avec les ingénieurs spécialisés, qui est indispensable pour bien connaître le sens exact des investigations à réaliser et les risques courus par l’ouvrage selon son type.

En première analyse, le rôle du géologue consiste, après avoir relié le site du barrage à la structure géologique de toute la région environnante, à tracer la géométrie de toutes les discontinuités, failles et diaclases, aidé en cette tâche par les décapages, sondages avec extraction de carottes, tranchées, puits et galeries implantés en collaboration avec l’ingénieur. Les trous de sondage sont utilisés pour effectuer des essais d’eau sous pression, afin de déterminer la perméabilité du sous-sol aux diverses profondeurs. À cette description générale de la structure fondamentale, il convient d’ajouter les phénomènes plus récents, souvent quaternaires, qui se traduisent par les faciès d’érosion, les grands glissements, l’hydrogéologie (en particulier dans les faciès karstiques), la sismotectonique. Cette image du sous-sol, obtenue par des points en nombre forcément limité, doit être complétée, au fur et à mesure de l’avancement des travaux, par l’examen des fouilles et les résultats fournis par les forages pour injections et drainage. L’intervention du géologue est donc nécessaire jusqu’à la fin des travaux et du remplissage du réservoir.

Mais les données visuelles ainsi rassemblées doivent être complétées par une recherche des propriétés de résistance et de déformabilité du sous-sol, ainsi que du comportement qu’on pourra en attendre sous les actions de toute nature qui lui seront appliquées. C’est le but de la mécanique des roches et de la mécanique des sols.

Mécanique des roches, mécanique des sols

L’étude de la résistance mécanique des sols meubles et des déformations subies sous l’action des forces appliquées a fait l’objet, depuis ces dernières années, de recherches très importantes qui l’ont vraiment portée au rang de science nouvelle. La mécanique des roches, qui traite de milieux essentiellement hétérogènes, anisotropes, fissurés, diaclasés, traversés par des failles, s’est attaquée à des problèmes très complexes et il lui reste un vaste domaine à explorer.

Des essais de laboratoire sur échantillons permettent de connaître la résistance mécanique (au pic et résiduelle) et le coefficient d’élasticité des fragments étudiés ainsi que leur degré d’altérabilité éventuelle en présence du milieu naturel qui baigne le massif ou qui le traversera par perméabilité. La mesure d’un taux de carottage modifié (Rock Quality Designation, R.Q.D.) fournit un indice de fracturation du massif rocheux.

Mais ces essais doivent être complétés par des essais in situ sur le terrain lui-même, avec toutes ses discontinuités. Le procédé le plus couramment utilisé pour cette étude consiste à placer, dans une galerie creusée avec précaution pour éviter de désorganiser le rocher, un équipage de vérins permettant d’exercer sur la paroi rocheuse une force réglable à volonté; on note alors les déformations correspondantes de la paroi. Dans cet essai, on montre qu’il existe une première période au cours de laquelle l’enfoncement de la plaque du vérin est assez grand, du fait du serrage des diaclases voisines; puis une plage de variation plus ou moins étendue où le rocher se comporte comme un milieu élastique; enfin, en poussant plus loin la pression, on obtient la rupture. Dans la grande majorité des cas, la limite de rupture du rocher est très élevée par rapport aux contraintes que lui fera subir l’ouvrage. Cet essai permet également, en maintenant la pression pendant un temps plus ou moins long, de se rendre compte des propriétés plastiques du rocher. Les méthodes de reconnaissance géophysique (sismique-réfraction, diagraphie sismique, gravimétrie, petite sismique) permettent d’établir une fiche signalétique d’un site, qui peut ainsi être comparé à d’autres sites connus. Des corrélations très utiles ont été établies entre les paramètres sismiques et les propriétés de déformabilité du massif. Les données ainsi recueillies et les expériences répétées en divers points du site doivent permettre à l’ingénieur d’étudier la stabilité de la fondation dans son ensemble et dans les fractions que le tracé des failles et diaclases permet d’y découper.

Les pressions interstitielles et les percolations

Dans l’évaluation des forces que le barrage exercera sur la fondation, il en est une qui joue un rôle fondamental, c’est la pression interstitielle provenant de la proximité de l’eau du lac. On a vu quel était le danger de l’action de l’eau en pression sous les fondations d’un barrage-poids et, éventuellement, dans le corps du béton si le profil n’est pas assez épais, ainsi que le moyen de le pallier. Les barrages minces (barrages-voûtes et barrages à voûtes multiples) ne sont soumis à aucune action dangereuse de cette nature, en ce qui concerne le corps de l’ouvrage, du fait de la faible surface d’application des sous-pressions. Cependant, un autre danger existe: il concerne la possibilité de rupture du rocher immédiatement à l’aval des fondations. Les diaclases se trouvent en effet remplies d’eau à la pression du lac en amont du barrage et à une pression nulle à l’aval; sur une courte longueur règne donc un gradient de pression très élevé et les fragments de roche sont soumis de ce fait à des poussées qui, selon la géométrie de l’assemblage, peuvent les expulser et mettre en danger toute la fondation. La rupture du barrage de Malpasset (Var, France, 1959) a été le résultat de ce mécanisme combiné avec d’autres circonstances défavorables liées à la nature exceptionnelle de la fondation.

Les matériaux meubles quant à eux, qu’ils soient déposés par la nature (sol de fondation) ou placés par la main de l’homme (corps du barrage), sont soumis à un risque redoutable appelé «érosion régressive» ou «renard». Il provient du fait que ces massifs sont toujours parcourus, quelle que soit leur perméabilité, par un écoulement d’eau, dont le débit peut être d’ailleurs minime, mais susceptible d’être accompagné d’un entraînement des matériaux.

Le mécanisme de la formation du renard peut être schématisé par une expérience de laboratoire très simple (fig. 13). Un tube horizontal AB de longueur L est rempli d’un sable dont tous les grains ont le même diamètre. L’extrémité A est reliée par un tube souple à un réservoir d’eau R; le sable est alors parcouru par un écoulement d’eau sous la charge hydraulique H. La vitesse V du courant est donnée par la loi de Darcy V = k (H/L), où k , coefficient de perméabilité, dépend des caractéristiques du matériau – dimension, forme, densité et arrangement des grains de sable. La perte de charge par unité de longueur est constante tout le long de la colonne. Si maintenant on soulève le réservoir R pour augmenter progressivement le gradient hydraulique H/L, il arrivera un moment où des grains de sable commenceront à être entraînés par le courant d’eau à la sortie B du tube. Il en résulte une légère diminution de L et une augmentation de H/L. Les grains de sable vont alors partir plus facilement et le mécanisme s’accélère. En un instant, le tube sera vide.

Pour une dimension déterminée de grains, il existe ainsi une «vitesse critique» augmentant rapidement avec la grosseur des grains et un «gradient hydraulique critique» beaucoup moins variable, car le coefficient de perméabilité k augmente, lui aussi, avec la taille des grains.

Si, dans le tube, on place, au lieu d’un sable homogène, une succession de sables homogènes, mais de tailles différentes, le phénomène se trouve modifié. Si les éléments les plus fins sont du côté de l’entrée du tube, la courbe piézométrique prendra la position 2 de la figure 14. En comparant la courbe 2 avec la courbe 1 qui correspond aux sables homogènes, on voit que la hauteur d’eau H, nécessaire pour entraîner les grains situés vers la sortie B, où le gradient hydraulique est plus faible (il correspond à la pente de la tangente à la courbe), sera plus grande que la hauteur critique correspondant à un tube qui serait rempli entièrement de ces mêmes grains (courbe 1). Le remplissage du tube sera, au contraire, beaucoup moins stable si les gros grains sont à l’amont et les fins à l’aval (courbe 3 de la fig. 14).

Dans la nature, on retrouve les mêmes mécanismes. Une source qui apparaît sur la surface d’un talus de terre et qui commence à entraîner des grains de sable est le signe précurseur d’un événement qui risque d’être extrêmement grave. En effet, on peut voir se former brutalement dans le talus un trou qui se propage très vite vers l’intérieur du massif, comme un terrier d’animal, d’où le nom de renard (en anglais piping ), également suggestif. S’il s’agit du talus aval d’un barrage en terre, et si la source est alimentée par le réservoir, le trou peut progresser sur toute l’épaisseur de l’ouvrage et donner passage à un flot croissant provoquant l’érosion et l’effondrement des parois du trou jusqu’à la ruine complète du barrage. Il y a heureusement, contre ce risque, une défense extrêmement simple, c’est le filtre dont le principe ressort de la figure 14.

Un filtre est constitué par une succession de couches de matériaux calibrés et disposés dans toutes les zones où pourrait se produire, à la suite d’une venue d’eau, un entraînement de matières solides. Les calibres successifs sont déterminés de manière que les éléments d’une catégorie ne puissent pas passer à travers la couche suivante. De façon générale, l’écart des diamètres moyens est de l’ordre d’une dizaine. La couche contenant les plus gros éléments doit naturellement être stable sous l’action des écoulements d’eau éventuels ou maintenue en place par des dispositifs adéquats. À titre d’exemple, la figure 11 montre que, entre le noyau en matériaux argileux et les enrochements, on a placé une couche filtrante, car un écoulement, si faible soit-il, à travers le noyau serait susceptible d’entraîner les fines particules de celui-ci. Une attention particulière doit être portée aux propriétés de dispersivité des matériaux argileux mis en place.

Injections et drainage

La défense contre le risque décrit pour les fondations de barrages en béton consiste à modifier la forme du réseau d’écoulement des eaux souterraines en réalisant, en prolongement de l’ouvrage et jusqu’à une profondeur suffisante – compte tenu de la géologie de la fondation du barrage –, un voile d’injections de ciment (qui devient une zone de terrain plus ou moins complètement imperméabilisée) et, à quelques mètres à l’aval, un rideau de drainage constitué par des trous plus ou moins rapprochés qui peuvent soit limiter la pression interstitielle à la valeur inoffensive correspondant au niveau du sol, soit l’abaisser en récoltant les eaux drainées dans une galerie profonde. La pratique des injections est fort ancienne; par contre, l’usage systématique du drainage n’a pris sa pleine signification qu’à partir de la rupture du barrage de Malpasset.

7. Les ouvrages annexes

Un barrage est toujours accompagné d’ouvrages annexes qui concernent l’évacuation des crues, la vidange et la prise d’eau. L’usine hydroélectrique éventuelle peut être séparée ou intégrée au corps du barrage. En outre, l’exécution des fondations du barrage nécessite, par des moyens très divers, l’assèchement provisoire du lit du cours d’eau, en totalité ou par parties successives, sur son emprise.

Ces dispositifs peuvent être soit complètement séparés du corps du barrage, grâce à des tranchées ou des galeries souterraines le contournant, soit y être incorporés. Ce sont exclusivement les dispositions adoptées dans ce dernier cas qui vont être examinées, les ouvrages visés dans le premier cas relevant de considérations sur l’hydraulique appliquée, sur les procédés généraux de construction ou sur les matériels mécaniques (vannes).

On peut, moyennant certaines précautions, réaliser des galeries ou des conduites métalliques dans les remblais; et on envisage actuellement la possibilité de placer des ouvrages déversants sur des barrages en remblais. Mais c’est malgré tout essentiellement aux barrages en béton que peuvent être incorporés facilement des ouvrages annexes.

Évacuateur de crues

Seul le problème du déversement des crues sur la crête des barrages est traité ici. Les déversoirs doivent être dessinés pour laisser passer, sans dommage, les plus grosses crues admissibles. La détermination de la crue exceptionnelle (crue maximale possible) relève de l’hydrologie.

Les crues sont un phénomène aléatoire qui obéit aux lois de la statistique. Malheureusement, le nombre de données dont dispose l’hydrologue est souvent très faible et la précision s’en ressent. Et pourtant, pour le constructeur de barrage, il est fondamental de ne pas risquer d’ajouter aux dommages naturels d’un déluge ceux que produirait la rupture de l’ouvrage. Il faut donc prévoir des marges de sécurité très substantielles pour les dispositifs d’évacuation des crues, l’importance de ces marges tenant compte du type de barrage. Si l’ouvrage peut être surmonté sans danger de rupture, on pourra être moins sévère que si un déversement généralisé présente un risque majeur. À cet égard, les barrages-voûtes sont de loin les plus sûrs. L’épreuve subie par le barrage de Vajont en est une démonstration remarquable.

Le profil du seuil déversant, au sommet du barrage, doit être tracé de manière à épouser la face inférieure AB d’une lame d’eau s’écoulant sur un seuil mince (fig. 15) et même pénétrer un peu à l’intérieur afin d’éviter la présence, entre le béton et l’eau, d’une couche d’air qui se trouverait mise en dépression, par effet de trompe, et provoquerait des vibrations. Plus la lame d’eau est épaisse, plus le tracé AB s’écarte de la verticale. Au-dessus d’une certaine épaisseur, la pente qu’il faudrait donner au parement aval du barrage serait ainsi plus douce que ce qui est strictement nécessaire à la bonne tenue de l’ouvrage, d’où un excédent inutilement coûteux de béton. On pallie cette difficulté en traçant le sommet de la crête déversante en surplomb ou en utilisant l’artifice de l’écoulement en orifice noyé. On peut ainsi rendre déversants non seulement les barrages-poids, mais la plupart des barrages-voûtes. Si ce dernier type d’ouvrage très mince a un parement aval proche de la verticale, on peut effectuer un déversement en chute libre semblable au déversement sur lame mince.

Le plus souvent, les parties déversantes des barrages sont munies de vannes qui peuvent avoir de très grandes dimensions, jusqu’à 20 m de hauteur et plus. Dans d’autres cas, où les débits à évacuer sont relativement faibles et où apparaissent des éventualités de défaillance mécanique ou humaine, le barrage pourra être tracé en simple déversoir libre sur une grande partie de sa longueur. Mais il ne suffit pas de guider le flot de crue jusqu’au pied du barrage; il faut encore l’y recevoir sans risquer de détruire le rocher de fondation au pied même de l’ouvrage. Or la puissance mise en jeu est énorme. Un débit de 1 000 m3/s – qui est une crue très modeste sur beaucoup de cours d’eau – tombant de 100 m développe une puissance de 1 million de kilowatts qui doit se dissiper en chaleur par l’intermédiaire des tourbillons et de l’érosion.

Dans tous les barrages anciens et dans beaucoup d’autres plus modernes, le flot est conduit jusqu’au pied même de l’ouvrage et l’amortissement de son énergie est recherché dans des seuils de formes plus ou moins compliquées qui provoquent des turbulences soigneusement guidées.

Une solution originale, infiniment plus simple et bien moins coûteuse, a été imaginée dès 1935 par André Coyne, appliquée d’abord à un nombre croissant de barrages en France, puis, peu à peu, dans tous les pays étrangers: c’est le déversement en «saut de ski» qui consiste, après avoir guidé l’eau sur une partie de la hauteur du barrage, à changer son orientation pour la diriger horizontalement loin des fondations de l’ouvrage. Une érosion du fond du lit à 50 m du pied par exemple ne présente pas de risque. La profondeur de la fosse érodée a d’ailleurs une limite, car rien n’est plus efficace pour amortir l’énergie d’une cascade que de la faire tomber dans une vasque pleine d’eau.

Un élément essentiel pour la sécurité des déversoirs est la protection du béton contre les phénomènes de cavitation qui peuvent être induits par les écoulements à grande vitesse. Cela conduit à imposer des tolérances strictes pour la finition de la surface du béton. Pour des charges hydrauliques élevées, dépassant 50 à 60 m, l’aération de la nappe d’eau représente une solution efficace et économique pour la protection contre la cavitation, et en particulier dans le cas de réaménagement d’ouvrages existants.

Prises d’eau

Ces dispositifs sont destinés à prélever, presque en permanence, de l’eau dans la retenue pour alimenter soit le réseau utilisant cette eau (irrigation, alimentation en eau potable, besoins industriels), soit une usine hydroélectrique. Ils doivent donc pouvoir fonctionner pour des niveaux variables de la retenue. Pour les barrages en remblais, on trouve souvent une tour de prise située à l’amont du barrage, munie d’orifices vannés à différentes hauteurs.

Vidanges de fond

À l’exception de petites retenues construites de façon sommaire, la plupart des barrages-réservoirs doivent être munis d’un ouvrage de vidange placé en fond de retenue et ayant une capacité plus importante que celle d’un simple dispositif de prise. Les rôles de la vidange de fond sont de vider la retenue pour la surveillance, l’entretien et les réparations du barrage et de ses ouvrages annexes, ou en cas de danger. Sa capacité doit permettre cette vidange en 8 à 10 jours. Pour les grands barrages, on peut éventuellement se contenter d’une vidange permettant, dans le même laps de temps, d’alléger de moitié la charge poussant sur le barrage. Accessoirement, la vidange de fond peut être utilisée en phase provisoire, pour laisser passer le débit courant de la rivière ou une petite crue éventuelle pendant la construction du barrage, ou remplacer la prise d’eau pour permettre la réparation de celle-ci en cas de défaillance.

8. Surveillance et entretien des barrages

L’objet essentiel des mesures de surveillance et d’entretien des barrages est le maintien de leur fonctionnement dans de bonnes conditions de sécurité. La surveillance et l’auscultation sont préalables à toute opération d’entretien et doivent entrer en jeu dès la construction de l’ouvrage.

Surveillance

La surveillance systématique des barrages doit porter sur le repérage des zones éventuelles de fuite et de suintement, des déformations et des fissures. Elle doit être complétée par une auscultation plus précise, surtout lorsque l’ouvrage a présenté, lors de sa construction, des difficultés particulières, ou lorsque ses dimensions sont relativement importantes. Les principaux dispositifs d’auscultation utilisés peuvent être classés en cinq grandes catégories: mesures de déplacements superficiels par des procédés topographiques; mesures de déplacements internes par tassomètres et clinomètres pour les barrages en matériaux meubles, par pendules pour les barrages en béton; mesures de déformations locales par extensomètres pour les fondations rocheuses et les ouvrages massifs en béton; mesures de phénomènes hydrauliques (mesure des débits de fuite, piézomètres pour la mesure des pressions interstitielles; mesures de contraintes et de températures).

Le processus de mesure et d’exploitation des données doit être envisagé dès le stade des études. La fréquence des mesures doit être définie en fonction de l’ouvrage et de son exploitation, la période la plus sensible étant la première mise en eau du barrage (la vitesse de montée du plan d’eau doit être limitée et strictement contrôlée pendant cette phase). Dans les barrages modernes, la centralisation des mesures et leur traitement informatique automatique sont de plus en plus souvent considérés comme nécessaires.

Entretien

L’auscultation et la surveillance d’un ouvrage ont pour objet de mettre en évidence toute évolution rendant une intervention nécessaire soit sur les fondations, soit sur le barrage lui-même. Si les fondations sont rocheuses, les interventions se limitent généralement à la réduction des sous-pressions et à la limitation des débits de fuite (drainage et injections complémentaires). Si les fondations sont en terrain meuble, des déformations transversales importantes peuvent apparaître dans des couches de faible consistance (fluage de ces couches) nécessitant de mettre en place des banquettes latérales de part et d’autre du corps du barrage en remblais.

En ce qui concerne le corps du barrage, les interventions d’entretien peuvent être très variées (colmatage ou injection de fissures, amélioration du drainage, remise en état des masques amont, entretien des parements et de la crête...).

Enfin, des travaux d’entretien de la retenue elle-même peuvent être nécessaires comme l’élimination des dépôts solides et de la végétation, contrôle et maîtrise des fuites, d’éventuels glissements des berges.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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