Les barrages
Du projet à la mise en service
Anton J. Schleiss et Henri Pougatsch
Presses polytechniques et universitaires romandes
Avant-proposV
I. Généralités
1. Introduction3
1.1 Définitions5
1.2 Des ouvrages singuliers5
1.3 Le rôle des barrages5
1.4 Les fonctions des ouvrages d'accumulation6
1.5 Les particularités de la construction des barrages8
1.6 Critères d'évaluation d'un aménagement à accumulation9
2. L'évolution et l'avenir des barrages11
2.1 Construction des barrages à travers les âges13
2.1.1 Introduction13
2.1.2 Les barrages autrefois13
2.1.3 La construction des barrages au XXe siècle15
2.1.4 Les barrages aujourd'hui18
2.1.5 Coup d'oeil sur l'évolution de la technologie des barrages20
2.2 Le développement des barrages en Suisse22
2.2.1 Introduction22
2.2.2 Principales étapes de la construction des barrages23
2.2.3 Travaux de confortement et de réhabilitation29
2.2.4 Traitement de problèmes liés à la retenue33
2.2.5 Evolution de la mise en place des bétons34
2.2.6 Evolution des dispositifs d'auscultation35
2.2.7 Bases légales36
2.2.8 Mesures en vue de garantir la sécurité publique37
2.3 Regard vers le futur38
2.3.1 Introduction38
2.3.2 Activités futures en Suisse38
3. Les différents types de barrages43
3.1 Introduction45
3.2 Les barrages en béton et en maçonnerie45
3.2.1 Introduction45
3.2.2 Les barrages-poids48
3.2.3 Les barrages à contreforts49
3.2.4 Les barrages-voûtes52
3.2.5 Les barrages en béton compacté au rouleau BCR55
3.2.6 Barrages en béton avec post-contrainte55
3.3 Les barrages en remblai57
3.4 Avantages et particularités des différents types de barrages59
4. Impacts sur l'environnement63
4.1 Introduction65
4.2 Exemples d'impacts65
4.2.1 Introduction65
4.2.2 Impacts liés à l'atmosphère66
4.2.3 Impacts liés à la création d'une barrière à l'écoulement67
4.2.4 Impacts liés à la création d'une retenue68
4.2.5 Impacts liés à la modification du régime d'écoulement à l'aval69
4.2.6 Aspects humains et socioéconomiques70
4.2.7 Impacts hors retenue71
4.3 Caractérisation des impacts71
4.4 Mesures techniques72
4.5 Positions d'organisations internationales72
4.6 Enseignement74
II. Notion de sécurité
5. Concept de sécurité79
5.1 Introduction81
5.2 Sécurité structurale81
5.2.1 Introduction81
5.2.2 Convention d'utilisation et base de projet82
5.2.3 Dispositions structurelles83
5.2.4 Ouvrages en exploitation85
5.3 Surveillance et entretien86
5.3.1 Introduction86
5.3.2 Activités principales86
5.3.3 Structure de l'organisation87
5.4 Plan en cas d'urgence89
5.4.1 Généralités89
5.4.2 Menaces prises en compte89
5.4.3 La gestion de dangers avérés97
5.4.4 Planification des mesures d'évacuation98
5.4.5 Moyens d'alarme99
5.4.6 Organisation générale100
6. Dangers et dégâts pouvant affecter un barrage et ses fondations101
6.1 Description de points sensibles103
6.2 Description de causes105
7. Modes de rupture107
7.1 Généralités109
7.2 Modes de rupture des barrages en béton109
7.3 Modes de rupture des barrages en remblai112
8. Mesures de protection115
9. Analyse de risques119
9.1 Introduction121
9.2 Champs d'application dans le domaine des barrages122
9.3 Définition du risque122
9.4 Cadre théorique de l'analyse de risques123
9.4.1 Généralités123
9.4.2 Structure de l'analyse de risques125
9.4.3 Définition du cadre de l'analyse126
9.4.4 Analyse du risque127
9.4.5 Estimation du risque132
9.4.6 Evaluation du risque133
9.4.7 Contrôle du risque137
III. Bases pour l'élaboration et la réalisation d'un projet
10. Identification des conditions liées au site141
10.1 Conditions topographiques143
10.1.1 Relevé topographique du terrain143
10.1.2 Critères topographiques143
10.2 Reconnaissances géologiques et géotechniques148
10.2.1 Importance de la géologie148
10.2.2 Description des investigations sur le terrain149
10.2.3 Description des modes de prospections et des essais géomécaniques et géotechniques153
10.2.4 Types de barrages possibles en fonction de la nature des fondations157
10.2.5 Interventions du géologue pendant les travaux159
10.3 Recherche des matériaux160
10.3.1 Agrégats pour barrages en béton160
10.3.2 Matériaux pour barrages en remblai162
10.4 Sismicité164
10.4.1 Eléments de sismique164
10.4.2 Sismicité en Suisse170
10.4.3 Tremblement de terre et barrages174
10.5 Les conditions climatiques175
10.6 Etude hydrologique176
10.6.1 Maîtrise des crues176
10.6.2 Notion de crue177
10.6.3 Crues considérées179
10.6.4 Méthodes d'estimation des crues180
10.6.5 Méthodes historiques181
10.6.6 Formules empiriques181
10.6.7 Méthodes probabilistes182
10.6.8 Méthodes déterministes (PMP-PMF)184
11. Actions et sollicitations187
11.1 Types de charges189
11.2 Combinaisons des charges190
11.3 Description des charges permanentes190
11.3.1 Poids propre190
11.3.2 Poussée des terres (remblai aval)191
11.3.3 Forces d'ancrages192
11.4 Description des charges variables192
11.4.1 Poussée de l'eau192
11.4.2 Poussée des sédiments193
11.4.3 Sous-pressions194
11.4.4 Température du béton202
11.4.5 Pressions d'écoulement des eaux de percolation204
11.4.6 Pressions interstitielles204
11.4.7 Neige205
11.4.8 Poussée des glaces205
11.4.9 Charges roulantes206
11.5 Description des charges exceptionnelles206
11.5.1 Crue206
11.5.2 Séisme206
11.5.3 Avalanche213
11.5.4 Lave torrentielle214
12. Procédure administrative et exigences215
12.1 Octroi d'une concession et autorisation de construire217
12.1.1 Demande de concession217
12.1.2 Autorisation de construire218
12.2 Etude d'impact sur l'environnement (EIE)219
12.2.1 Déroulement de l'EIE219
12.2.2 Domaines de l'environnement220
12.2.3 Evaluation de l'EIE222
IV. Barrages en béton
13. Barrages-poids225
13.1 Forme générale227
13.2 Sollicitations et contrôles essentiels228
13.3 Sécurité au renversement229
13.4 Sécurité au glissement235
13.4.1 Définitions et principes de calcul235
13.4.2 Les surfaces de glissement et leur résistance236
13.4.3 Amélioration de la sécurité au glissement239
13.4.4 Sécurité au soulèvement243
13.5 Sécurité à la rupture243
13.5.1 Efforts et contraintes dans le barrage244
13.5.2 Contraintes principales245
13.5.3 Capacité portante247
13.6 Sollicitation en cas de séisme247
13.6.1 Comportement réel d'un barrage en cas de séisme247
13.6.2 Analyse pseudo-statique249
13.6.3 Sécurité en cas de séisme251
13.6.4 Analyse dynamique252
13.7 Vérification des barrages-poids et en maçonnerie aux séismes selon les directives en vigueur en Suisse256
13.7.1 Méthodes de calculs256
13.7.2 Déroulement de la vérification d'un ouvrage de la classe II257
13.8 Les effets de température269
13.8.1 Insolation269
13.8.2 Echauffement du béton lors de la prise273
13.9 Analyse de stabilité 3D277
13.10 Aspects constructifs particuliers279
13.10.1 Formes et dimensions des plots279
13.10.2 Précautions en cas de séismicité importante280
13.10.3 Qualité du béton, dosage en ciment281
13.10.4 Joints de construction et dispositif d'étanchéité281
13.10.5 Revanche283
13.11 Surélévation des barrages-poids284
13.11.1 Motivation et conditions préalables284
13.11.2 Modes de surélévation284
13.11.3 Utilisation de la post-contrainte288
13.12 Confortement de barrages-poids295
14. Barrages élégis : barrages à joints évidés, à contreforts et évidés297
14.1 Du barrage-poids classique aux barrages élégis299
14.1.1 Barrage-poids classique vs. barrage à joints évidés299
14.1.2 Barrage à contreforts301
14.1.3 Barrage évidé303
14.1.4 Points de comparaison chiffrés entre différents profils304
14.1.5 Autres types de barrages à contreforts306
14.2 Contraintes dans le contrefort307
14.2.1 Contraintes sur les parements307
14.2.2 Contraintes verticales308
14.2.3 Contraintes à l'intérieur du contrefort308
14.2.4 Forme de la tête amont309
14.2.5 Optimisation de la tête en forme de diamant310
14.3 Sécurité au renversement et au glissement312
14.3.1 Méthode de calcul312
14.3.2 Hypothèses pour la prise en compte des sous-pressions313
14.3.3 Flambage du contrefort313
14.4 Comportement en cas de séisme313
14.4.1 Sollicitation transversale314
14.4.2 Sollicitation longitudinale315
14.5 Effets de température316
14.6 Problèmes particuliers317
14.6.1 Fondation des contreforts317
14.6.2 Etapes de construction317
14.6.3 Dispositif d'étanchéité318
15. Barrages-voûtes321
15.1 Forme générale et avantages323
15.2 Principaux types de barrages-voûtes323
15.2.1 Barrages-voûtes à simple courbure323
15.2.2 Barrages-voûtes à double courbure324
15.3 Choix de la forme initiale326
15.3.1 Hauteur du barrage326
15.3.2 Forme des sections horizontales327
15.3.3 Forme des sections verticales331
15.3.4 Epaisseur de la console à la clé334
15.3.5 Coefficient d'hardiesse337
15.3.6 Stabilité des massifs d'appuis338
15.4 Méthodes de calcul339
15.4.1 Généralités339
15.4.2 Formule du tube, membrane339
15.4.3 Méthode des ajustements340
15.4.4 Méthode des éléments finis366
15.5 Effets de la température370
15.5.1 Conséquences des conditions météorologiques370
15.5.2 Hypothèses relatives à la répartition interne de la température370
15.5.3 Effets des deux modes de charges de température372
15.6 Efforts et contraintes374
15.6.1 Localisation des zones comprimées et tendues376
15.6.2 Effets des cas de charges379
15.6.3 Effet des efforts tranchants379
15.7 Détails constructifs382
15.7.1 Configuration du pied du barrage382
15.7.2 Galeries et puits384
15.7.3 Refroidissement artificiel du béton durci387
15.7.4 Traitement et injection des joints387
16. Barrages à voûtes multiples391
16.1 Description générale393
16.2 Principales caractéristiques et dimensions394
16.2.1 Les voûtes394
16.2.2 Les contreforts396
16.2.3 Les fondations397
16.3 Etude de la stabilité générale397
16.3.1 Stabilité au glissement397
16.3.2 Stabilité au renversement399
16.4 Efforts et contraintes399
16.4.1 Voûtes400
16.4.2 Contreforts402
17. Barrages compactés au rouleau (BCR)403
17.1 Description générale405
17.1.1 Bref historique405
17.1.2 Principales caractéristiques et procédé de construction405
17.2 Conception et dispositions constructives408
17.2.1 Conditions d'implantation408
17.2.2 Choix du profil du barrage-poids BCR408
17.2.3 Intégration d'ouvrages annexes409
17.2.4 Revêtement et étanchéité du parement amont409
17.2.5 Finition et revêtement du parement aval413
17.2.6 Traitement des surfaces horizontales de travail414
17.2.7 Joints transversaux de contraction verticaux415
17.2.8 Galeries et puits416
17.2.9 Drainage et contrôle des percolations418
17.2.10 Injections418
17.3 Aspects essentiels de l'analyse du projet418
17.3.1 Analyse de la stabilité générale418
17.3.2 Efforts et contraintes419
17.3.3 Fissuration419
17.3.4 Effet de la température interne du BCR420
17.4 Exécution des barrages BCR421
17.4.1 Composition du BCR421
17.4.2 Propriétés caractéristiques du BCR424
17.4.3 Essais426
17.4.4 Mise en place du BCR427
V. Les bétons
18. Technologie des bétons433
18.1 Composants du béton435
18.1.1 Granulats435
18.1.2 Liants436
18.1.3 Eau de gâchage436
18.1.4 Adjuvants436
18.1.5 Air occlus436
18.2 Formulation de la composition du béton437
18.2.1 Granulòmétrie437
18.2.2 Dosage en ciment439
18.2.3 Dosage en eau et rapport E/C439
18.2.4 Dosage en adjuvants440
18.2.5 Dosage en air occlus440
18.3 Propriétés des bétons frais et durcis440
18.3.1 Béton frais440
18.3.2 Béton durci441
18.4 Fabrication et mise en place446
18.5 Essais des bétons447
18.5.1 Essais pendant la phase du projet448
18.5.2 Essais de contrôle d'exécution449
18.5.3 Essais de contrôle de l'ouvrage449
18.6 Exploitation des résultats des essais sur les bétons durcis450
18.6.1 Considérations relatives aux résistances des bétons450
18.6.2 Coefficient de sécurité452
18.6.3 Détermination des dosages en ciment457
18.6.4 Laboratoire de chantier458
18.7 Recherches sur les bétons459
18.7.1 Comportement des bétons non armés sous sollicitations dynamiques459
18.7.2 Dimensions des éprouvettes et effet d'échelle464
19. Comportement des bétons et phénomènes observés465
19.1 Progression dans le temps des déformations467
19.2 Fissuration467
19.2.1 Description du processus de formation des fissures467
19.2.2 Développement des fissures468
19.2.3 Constatations faites sur les barrages en béton469
19.3 Fluage et retrait470
19.3.1 Description et caractéristiques du fluage et du retrait470
19.3.2 Incidences sur les barrages en béton470
19.3.3 Essais en laboratoire471
19.4 Gonflement472
19.4.1 Description et caractéristique du gonflement472
19.4.2 Réaction alcali-agrégats (RAG)473
19.4.3 Identification et analyse du gonflement473
19.4.4 Incidence sur les barrages en béton475
19.4.5 Mesures476
19.5 Effet de la gélivité476
VI. Barrages en remblai
20. Vue d'ensemble481
20.1 Historique483
20.2 Critères de choix des sites484
20.3 Types de barrages en remblai485
20.4 Fondation487
20.5 Comportement des barrages en remblai489
20.6 Ouvrages annexes490
21. Barrages en terre homogènes495
21.1 Disposition d'ensemble497
21.2 Caractéristiques principales des matériaux497
21.3 Facteurs concernant l'étude et l'exécution de l'ouvrage497
22. Barrages en remblai zonés501
22.1 Dispositions d'ensemble503
22.2 Barrage en remblai avec noyau central503
22.3 Barrage en remblai avec noyau incliné505
22.4 Description et caractéristiques des matériaux505
22.4.1 Corps d'appui du barrage505
22.4.2 Noyau argileux506
22.4.3 Filtre507
23. Barrages en remblai avec membrane interne d'étanchéité509
23.1 Dispositions d'ensemble511
23.2 Description du noyau bitumineux512
23.2.1 Caractéristiques principales512
23.2.2 Composants du béton bitumineux513
23.2.3 Essais et contrôle513
23.2.4 Mise en place513
24. Barrages en remblai avec masque amont515
24.1 Dispositions d'ensemble517
24.2 Barrage en remblai avec masque en béton518
24.2.1 Caractéristiques principales518
24.2.2 Réalisation du masque en béton520
24.3 Réalisation du masque en béton bitumeux526
24.3.1 Généralités526
24.3.2 Caractéristiques techniques526
24.4 Autres types de revêtement amont528
24.4.1 Géomembrane528
24.4.2 Revêtement en sol stabilisé529
24.5 Comparaison entre masque amont et noyau central529
25. Réalisation et comportement des barrages en remblai531
25.1 Mise en place et compactage des remblais533
25.1.1 Matériaux cohésifs533
25.1.2 Matériaux non cohésifs537
25.2 Planche d'essais538
25.3 Contrôles et mesures pendant la construction538
25.4 Comportement pendant et après la construction538
25.4.1 Déformations verticales538
25.4.2 Conditions à lac plein542
25.4.3 Exploitation de la retenue544
26. Analyse de stabilité545
26.1 Principes d'analyse547
26.2 Méthodes d'analyse547
26.3 Cas de charges547
26.4 Coefficients de sécurité549
26.5 Pentes des talus549
26.6 Sécurité en cas de séisme selon analyse pseudo-statique550
26.7 Vérification des digues face aux séismes selon les directives suisses550
26.7.1 Bases et exigences de vérifications550
26.7.2 Schéma du déroulement des calculs552
26.7.3 Relevé des conditions géologiques et géotechniques du sol de fondation ainsi que des valeurs caractéristiques des matériaux composant le corps du barrage en remblai et le sol de fondation553
26.7.4 Evaluation de l'augmentation potentielle des pressions interstitielles due au séisme553
26.7.5 Analyse simplifiée de la stabilité sismique559
26.7.6 Calcul simplifié des déplacements par glissement561
26.7.7 Analyse de l'augmentation des pressions interstitielles due au séisme563
26.7.8 Analyse simplifiée de la stabilité sismique ou calcul des déplacements par glissement en tenant compte de l'augmentation des pressions interstitielles due au séisme564
26.7.9 Analyse de stabilité après le séisme en tenant compte d'une augmentation des pressions interstitielles due au séisme564
27. Détails constructifs565
27.1 Détermination de la revanche567
27.1.1 Définition de la revanche567
27.1.2 Effets du vent et des vagues567
27.1.3 Revanche nécessaire569
27.2 Couronnement570
27.3 Risbermes571
27.4 Galeries d'injection et de contrôle571
27.5 Contact des éléments d'étanchéité avec le sous-sol572
27.6 Protection des talus573
27.6.1 Protection du talus amont573
27.6.2 Protection du talus aval574
VII. Traitement des fondations
28. Excavations577
29. Injections de fondations rocheuses581
29.1 Buts recherchés583
29.2 Connaissances géologiques583
29.3 Mode d'exécution des injections en rocher585
29.3.1 Méthodes de forage585
29.3.2 Mode d'injection585
29.3.3 Types de matériaux injectés586
29.3.4 La pression d'injection588
29.4 Méthode GIN588
29.4.1 Principe588
29.4.2 Contrôle des travaux d'injection590
29.4.3 Résumé des aspects essentiels de la méthode GIN592
29.5 Dispositions constructives du voile d'étanchéité593
29.5.1 Dispositions d'ensemble593
29.5.2 Nombre de lignes d'injection594
29.5.3 Position du voile d'étanchéité594
29.5.4 Espacement entre forages595
29.5.5 Orientation des forages596
29.5.6 Profondeur du voile d'étanchéité596
29.5.7 Extension hors du barrage596
29.5.8 Plots d'essais597
29.5.9 Représentation des résultats des injections598
30. Autres modes de traitement des fondations599
30.1 Système de drainage des barrages en béton601
30.1.1 Les forages drainants601
30.1.2 Galeries de drainage601
30.2 Jet-grouting602
30.3 Injections des alluvions603
30.4 Diaphragmes verticaux604
30.5 Consolidation des appuis606
VIII. Exploitation
31. Documentation nécessaire à l'exploitation611
31.1 Dossier des consignes de surveillance613
31.2 Dossier du barrage613
31.3 Monographie614
32. Surveillance et entretien615
32.1 But et organisation617
32.2 Contrôles visuels618
32.3 Essais des organes mobiles619
32.4 Conception générale du dispositif d'auscultation620
32.4.1 Raisons d'être d'un dispositif d'auscultation620
32.4.2 Paramètres significatifs à suivre620
32.4.3 Quelques principes de base621
32.4.4 Choix et caractéristiques des appareils de mesure622
32.4.5 Automatisation et transmission des mesures624
32.4.6 Description de l'instrumentation625
32.4.7 Fréquences des mesures644
32.5 Analyse et interprétation des mesures645
32.5.1 Contrôles des valeurs brutes646
32.5.2 Traitement des résultats de mesures649
32.5.3 Remarques relatives à l'interprétation des résultats des mesures géodésiques654
32.6 Etablissement de rapports656
33. Plan en cas d'urgence et protection de la population659
33.1 Importance du plan en cas d'urgence661
33.2 Stratégie661
33.3 Mesures possibles en cas de comportement anormal d'un ouvrage662
33.4 Préparatifs662
33.5 Moyens d'alerte et d'alarme disponibles en Suisse663
33.6 Communications665
IX. Alluvionnement
34. Problématique posée par l'alluvionnement des retenues et ses solutions669
34.1 Vue d'ensemble671
34.2 Erosion de surface dans les bassins versants alpins672
34.3 Courant de turbidité comme cause principale du transport de sédiments dans les retenues673
34.4 Mesures contre l'alluvionnement675
34.4.1 Mesures dans le bassin versant676
34.4.2 Mesures dans la retenue677
34.4.3 Mesures au barrage678
34.5 Maîtrise des courants de turbidité678
34.6 Exemple de la retenue du Grimsel681
34.7 Synthèse683
Bibliographie685
Notations695
Index703