Aménagements de cours d`eau Protection contre les érosions du lit

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Aménagements de cours d’eau
Protection
Protectioncontre
contreles
lesérosions
érosionsdu
dulitlit
Diverses possibilités
Î Augmentation de la résistance du lit
y lit artificiel (canal bétonné)
y pavage du lit par des blocs en pierre (couche de pavage artificiel)
y renforcer le lit par de gros blocs (rocher ou éléments en béton)
Î Réduction de la pente du lit
y fixation du lit par des traversées (seuils en bois, pierres de taille, béton)
y fixation du lit par des rampes de blocs
y changement du tracé du cours d'eau (prolongement du talweg par
des méandres, etc.)
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Aménagements de cours d’eau
Protection
Protectioncontre
contreles
lesérosions
érosionsdu
dulitlit
Diverses possibilités (suite)
Î Elargissement du lit
y élargissement sur longues distances
y élargissement local
y dérivation partielle du cours d'eau dans un lit secondaire
Î Intervention sur le transport solide
y renversement du gravier dans le cours d'eau
(localement à l'amont du tronçon érodé)
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Aménagements de cours d’eau
Stabilisation
Stabilisationdes
deslits
lits
contre
contrel'érosion
l'érosion
Fixation du lit par des ouvrages transversaux:
a) seuil; b) coursier bétonné; c) rampe de blocs; d) rampe de blocs à grande rugosité
e) coursier avec pavage artificiel; f) seuils en bois
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Aménagements de cours d’eau
Stabilisation
Stabilisationdes
deslits
litscontre
contrel'érosion
l'érosion
Fixation du lit par des ouvrages transversaux:
g) seuil de fixation en blocs, h) seuil de fixation en bois; i) traversée; k) seuil en bois avec
refuge pour poissons
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Aménagements de cours d’eau
Rampes
Rampesen
enblocs
blocs––Types
Typeset
etconcept
concept
Rugosité de surface
Type et matériaux
rampes fixes en béton (revêtues de pierres
en taille)
très lisse
rampes fixes en blocs de rocher placés
dans une couche de béton
assez rugueux
rampes mobiles en gros blocs posées
en espaces réguliers
rugueux
rampes mobiles en gros blocs posées en
espaces irréguliers (en remblai)
très rugueux
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Aménagements de cours d’eau
Fonctionnement
Fonctionnementhydraulique
hydraulique
des
desrampes
rampesen
enblocs
blocs
hcr
Rampe dénoyée construite en blocs
Ligne d'énergie
Lit normal
Lit pendant la crue
Rampe noyée construite en blocs
Conditions d'écoulement sur une rampe lisse
et une rampe rugueuse.
Influence de la rugosité sur l'affouillement
au pied.
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Aménagements de cours d’eau
Dimensionnement
Dimensionnementdes
desrampes
rampesen
enblocs
blocs
Processus lors de la destruction
Ö l'érosion directe des blocs, c'est-à-dire l'instabilité des blocs
particuliers due aux forces d'écoulement (renversement,
glissement et transport par l'écoulement)
Ö l'érosion indirecte de la rampe par lavage des matériaux du lit
situé au-dessous se fait à travers les joints entre les blocs
Ö l'affouillement du pied stabilisant de la rampe
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Aménagements de cours d’eau
Erosion
Erosiondirecte
directede
dela
larampe
rampepar
parl'instabilité
l'instabilitédes
desblocs
blocsparticuliers
particuliers
Critère empirique selon Whittaker, Jäggi (1986):
q
3
g ⋅ (s − 1) ⋅ D65
avec q :
s:
D:
J:
0.257
= 7/6
J
débit par mètre de largeur sur la rampe [m3/s]
densité des blocs par rapport à l'eau
diamètre des blocs [m]
pente de la ligne d'énergie sur la rampe
(en cas d'un enrochement uniforme égal à la pente du lit)
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Aménagements de cours d’eau
Erosion
Erosionindirecte
indirectede
dela
larampe
rampepar
parlavage
lavagede
dela
lafondation
fondation
Ö Modes de rupture possibles
Š D/dm > 17:
affaissement des blocs dans le lit mobile de la fondation
Š D/dm < 6 :
gros blocs glissent sur la fondation à cause de leur
exposition importante
Ö Equation empirique pour D/dm > 10 selon Whittaker, Jäggi (1986)
⎛ s − 1⎞
q = 14.47 ⋅ g ⎜
⎟
ρ
⎝ s ⎠
avec
q:
J:
D:
d65 :
β:
ρs :
2.35
⋅
β 2.35
D 0.85 ⋅ J 1.9
⎛d ⎞
⋅ ⎜ 65 ⎟
⎝ D ⎠
2
débit unitaire sur la rampe [m3/sm]
pente de la ligne d'énergie sur la rampe
diamètre équivalent d'une sphère ayant le poids des blocs moyens [m]
diamètre caractéristique des matériaux du lit de la fondation de la rampe [m]
densité de pose des blocs en t/m2
densité des matériaux solides (blocs, lit) [t/m3]
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Affouillement
Affouillementdu
dupied
piedde
dela
larampe
rampe
Ö Empêcher l'affouillement du pied de la rampe par
l'aménagement d'une surface rugueuse sur la rampe
Ö Estimation de l'affouillement au pied avec l'équation TschoppBisaz (1972)
S = 0.85 ⋅ q ⋅ v − 7.125 d90
avec
S:
q:
v:
d90 :
profondeur de l'affouillement au-dessous du niveau d'eau [m]
débit unitaire sur la rampe [m3/sm]
vitesse d'écoulement au pied de la rampe [m/s]
diamètre caractéristique des matériaux du lit [m]
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Aménagements de cours d’eau
Lit construit
Affouillement
Tapis en blocs
Mesures
Mesuresconstructives
constructivescontre
contre
l'affouillement
l'affouillementdu
dupied
pieddes
des
rampes
rampesen
enblocs
blocs
Niveau d'étiage
NW
Prolongation de la rampe jusqu'à
la profondeur maximale de l'affouillement
Stabilisation du pied avec des rails de chemin de fer
ou des pieux (selon Jäggi 1999/2000).
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Aménagements de cours d’eau
Disposition
Dispositiond'une
d'unerampe
rampeincurvée
incurvéeen
enplan
plan
Afouillement
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AménagementsStabilisation
de cours d’eau
Stabilisationdes
deslits
litspar
parun
unlitlitartificiel
artificiel
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Couche
Couchede
depavage
pavageartificiel
artificiel
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Aménagements de cours d’eau
Théorie
Théoriedu
ducharriage
charriage--début
débutdu
dumouvement
mouvement
1
Sous-couche du lit
2
(charriage permanent)
Hauteur d'eau hcr pour
laquelle le début du
mouvement se produit:
θ (s -1) d mUS
h cr = cr
J
J
θcr
:
:
dmUS :
s
:
(0.4% < J < 2%)
Pavage du lit
Hauteur d'eau hcr pour laquelle
le pavage du lit est détruit.
2
a) avec dmDS = d90 US
1
pente de frottement.
contrainte de cisaillement critique adimensionnelle
θcr > 0.047 charriage bien développé.
θcr = 0.03 - 0.047 pas de charriage régulier.
θcr< 0.03 aucun mouvement.
diamètre moyen des grains de la sous-couche.
densité spécifique s = ρs/ ρ.
θcr (s−1) d90US
hcr =
J
b) selon Günter
θcr (s −1)d mDS ⎛⎜ d mDS ⎞⎟0.67
h cr =
⎜
⎟
⎜d
⎟
J
⎝ mUS ⎠
(granulométrie du pavage connue)
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Aménagements de cours d’eau
Le
Ledébut
débutdu
ducharriage
charriage
Contrainte de
cisaillement
adimensionnelle
Diagramme de Shields
(par définition)
θ =
h<<b
τ
ρ g (s − 1 ) d
h J
θ =
(s − 1 ) d
θ
θ = θ cr
h : hauteur d’eau
J : pente de frottement
d : diamètre des grains
s : ρ s ρ = 2 .6 ÷ 2 .7
Diamètre adimensionel
⎛ρ −ρ g ⎞
d * = d 50 ⎜ s
⎟
2
ρ
υ
⎝
⎠
1/ 3
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Stabilisation
Stabilisationdes
deslits
lits
par
pardes
desgros
grosblocs
blocs
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Aménagements de cours d’eau
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Aménagements
de cours d’eau
Renforcement
du
Renforcement
dulitlitavec
avecdes
desgros
grosblocs
blocs
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Aménagements de cours d’eau
Renforcement
Renforcementdu
dulitlitavec
avecdes
desgros
grosblocs
blocs
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Aménagements de cours d’eau
Calcul
Calculhydraulique
hydrauliqueen
enconsidérant
considérantde
degros
grosblocs
blocs
Î résistance hydraulique des matériaux de base du lit (sans gros blocs)
⎛ 12 Rs ⎞
⎜⎜
⎟⎟
=
2
.
5
In
'
V*
⎝ ks ⎠
Vm
cs
=
Rs:
rayon hydraulique de l'écoulement sur le lit
ks:
élément de rugosité déterminant des matériaux de base du lit
ks = 1.5 dmD
dmD : diamètre moyen de la couche de pavage des matériaux de
base (dmD ≈ d90)
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Aménagements de cours d’eau
Calcul
Calculhydraulique
hydrauliqueen
enconsidérant
considérantde
degros
grosblocs
blocs
Î résistance hydraulique des blocs résiduels
cb
kb:
kb
D
⎛ 12 Rs ⎞
⎜⎜
⎟⎟
=
2
.
5
In
'
V*
⎝ kb ⎠
élément de rugosité déterminant des blocs résiduels
=
Vm
h⎞
⎛
= a⎜ 17.8 − 0.47 ⎟
D⎠
⎝
D:
diamètre équivalent du bloc résiduel
a:
concentration adimensionnelle de surface des blocs résiduels ≈ n · D2
n = concentration de surface des blocs résiduels [m2]
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Calcul
Calculhydraulique
hydrauliqueen
enconsidérant
considérantde
degros
grosblocs
blocs
Î résistance totale du lit
1
1
1
=
+
c 2 cs2 cb2
Î vitesse moyenne d'écoulement (loi de Chézy)
Vm = c g ⋅ Rs ⋅ J
Î calcul de la pente réduite du lit J'
V*' = g Rs ⋅ J'
et ainsi
c g Rs J
V
cs = m' =
g Rs J'
V*
⎛c ⎞
J' = J ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ cs ⎠
2
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Calcul
Calculhydraulique
hydrauliqueen
enconsidérant
considérantde
degros
grosblocs
blocs
Contrainte adimensionnelle agissant sur les matériaux de base du lit
θ=
dm:
Rs ⋅ J'
( s − 1) dm
diamètre moyen de la sous-couche des matériaux de base
du lit (sans blocs résiduels)
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Calcul
Calculhydraulique
hydrauliqueen
enconsidérant
considérantde
degros
grosblocs
blocs
Résistance des matériaux de base selon Günter (1971)
θcD
θc :
⎛d ⎞
= θ c ⎜⎜ mD ⎟⎟
⎝ dm ⎠
2/ 3
coefficient de Shields pour un lit comparable composé de grains
unitaires (θc = 0.05)
dmD: diamètre moyen de la couche de pavage des matériaux de base
(dmD ≈ d90)
Condition limite pour l'érosion de la couche de pavage
θ > θcD
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Stabilisation
Stabilisationdes
deslits
litsdes
desdes
desrives
rivespar
pardes
desblocs
blocsartificiel
artificiel
q* =
q
g(s − 1)V
q* = 0.4 J-1/3
selon Bezzola, 2005
Vnˇ c
6.25q 2
= −2/ 3
J g(s − 1)
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Renforcement
Renforcementdes
deslits
litspar
par
des
desseuils
seuils
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Aménagements de cours d’eau
Buts
Butset
etinconvénients
inconvénientsdes
desseuils
seuils
Buts
Buts
Ö Stabiliser le lit des rivières à forte pente
Ö Diminuer la pente du lit pour obtenir la pente d'équilibre
Fonctionnement
Fonctionnement
Ö Comme déversoirs dénoyés pour les débits égaux ou inférieurs au débit de
dimensionnement
Inconvénients
Inconvénients
Ö Obstacle à la libre migration de poissons;
Ö Fondation profonde pour garantir la stabilité des affouillements au pied;
Ö Réalisation difficile en présence de l'eau (dérivation coûteuse du cours d'eau
pendant la construction).
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Dimensionnement
Dimensionnementet
etemplacement
emplacementdes
desseuils
seuils
J
∆Z
S
L
J
J0
∆h
Ö Ecoulement sur les seuils Q = Cd ⋅ b ⋅ 2g H 3 / 2
avec le coefficient de débit Cd = 0.326 pour un seuil large
Ö Alluvionnement du lit par les seuils: ∆h = (J0 − J ) ⋅ L
Ö Hauteur nécessaire du seuil: s ≥ ∆h + ∆z ≥ (J0 − Jcr ) ⋅ L + ∆z
avec
∆z d'environ 0.5 à 1.0 m
Ö Distance maximale entre les seuils: Lmax ≤
s − ∆z
∆h
=
J0 − Jcr J0 − Jcr
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Aménagements de cours d’eau
Estimation
Estimationde
del'affouillement
l'affouillementau
aupied
pieddes
desseuils
seuils
H 0.35 ⋅ q 0.7
Î granulométrie grossière du lit (Kotoulas, 1973) S = 0.78
0.4
d90
Î granulométrie fine du lit (Tschopp/Bisaz, 1972)
S = 2.76 ⋅ q 0.5 ⋅ H 0.25 − 7.22 d 90
avec
S:
q:
H:
d90 :
profondeur de l'affouillement au-dessous du
niveau d'eau à l'aval du seuil
débit spécifique sur le seuil (= Q/b)
différence entre les charges amont et aval du seuil
diamètre caractéristique des grains du lit
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Traversées
Traversées––Utilisation
Utilisationet
etfonctionnement
fonctionnement
Î ouvrages transversaux ou seuils à
faible hauteur, espacés étroitement,
pour la stabilisation du lit
Î conditions d'écoulement sur les
traversées
a) petits débits avec écoulement critique sur
les traversées (déversoir dénoyé),
comportement similaire aux seuils
b) écoulement avec surface ondulée,
l'affouillement que se produit
est analogique aux dunes ou anti-dunes
c) écoulement fortement torrentiel avec une
forte érosion à l'amont des traversées
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Aménagements de cours d’eau
Dimensionnement
Dimensionnementdes
des
traversées
traversées
Î
calcul non explicite avec l'hypothèse sur
la pente réduite J', le rayon hydraulique
Rb, le niveau du lit pour hm
Î
il en résulte:
Rb = Rb, red +
y max
2
ymax est inconnu et doit donc être estimé au début du calcul.
Puis, avec une loi de vitesse connue (Strickler ou Keulegan) on obtient v m = f (Rb , J ')
y max
V ⎛
Le calcul des pertes de forme selon Bordat-Carnot donne: J '' =
⎜⎜
2g ⎝ Rb, red + y max
avec L comme distance entre les traversées.
2
m
2
⎞ 1
⎟⎟
⎠ L
avec la condition J = J '+ J ''
la valeur ymax peut donc être trouvée par itération
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Aménagements de cours d’eau
Dimensionnement
Dimensionnementdes
destraversées
traversées
Ö Affouillement maximal sans apport de charriage
y 0 max
avec
1.25
q 0.5 ⋅ J 0.5 ⋅ L0.67
=
⋅
0.25
0.42
(s − 1) ⋅ g
d90
L : distance entre les traversées
10 < L / d90 < 340
q : débit spécifique
Cette équation est valable pour
et
1.39‰ (qB : débit solide spécifique)
q
q* =
B
ρs ⋅ q
<
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Aménagements de cours d’eau
Dimensionnement
Dimensionnementdes
destraversées
traversées
Ö Affouillement avec apport de charriage
⎛
L
0.12 ⎞
y max = y 0 max ⎜ 1 − 0.53 ⋅ J
⋅q* ⎟
d90
⎝
⎠
q
avec q * = B
ρs ⋅ q
Ö Sécurité contre le changement du régime y max < 0.2 L
Ö Profondeur maximale
d'eau
zmax
q 0.88
1
= 0.9
⋅ 0.02 0.09
0.44
0.3
(s − 1) ⋅ g
⋅ d90 L ⋅ J
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Aménagements de cours d’eau
Types
Typesde
detraversées
traversées
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Types
Typesde
detraversées
traversées
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Aménagements de cours d’eau
Traversée
Traverséeen
enbois
boisavec
avec
refuge
refugepour
pourpoissons
poissons
refuge pour
poissons
6
5
3
2
4
1
1
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Kl.
Kl.Schliere,
Schliere,Alpnach
Alpnach
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Unwetter
Unwetter
August2005
2005
Aménagements de cours
d’eauAugust
Kl.
Kl.Schliere,
Schliere,Alpnach
Alpnach
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Protection
Protectioncontre
contreles
lesérosions
érosions
Diverses possibilités
Î Augmentation de la résistance du lit
y lit artificiel (canal bétonné)
y pavage du lit par des blocs en pierre (couche de pavage artificiel)
y renforcer le lit par de gros blocs (rocher ou éléments en béton)
Î Réduction de la pente du lit
y fixation du lit par des traversées (seuils en bois, pierres de taille, béton)
y fixation du lit par des rampes de blocs
y changement du tracé du cours d'eau (prolongement du talweg par
des méandres, etc.)
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Protection
Protectioncontre
contreles
lesérosions
érosions
Diverses possibilités (suite)
Î Elargissement du lit
y élargissement sur longues distances
y élargissement local
y dérivation partielle du cours d'eau dans un lit secondaire
Î Intervention sur le transport solide
y renversement du gravier dans le cours d'eau
(localement à l'amont du tronçon érodé)
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