Pour aller plus loin

Lorsqu'on entend "énergie d'un barrage", l'image qui est souvent évoquée est simplement celle d'eau qui
passe dans des turbines, mais la réalité est bien évidemment beaucoup plus complexe: quatre différents types
d'énergies différentes peuvent être constatées aux différents stages de l'exploitation d'énergie dans un
barrage hydroélectrique. Il est donc effectivement intéressant d'étudier les étapes qui mènent d'une énergie
stockée dans l'eau, c'est-à-dire potentielle, à une énergie qui allume nos ampoules et fait marcher nos fours,
une énergie donc électrique. Cette évolution sous-entend une multitude de phénomènes physiques
potentiellement observables, et comprendre le pourquoi du comment sera donc quelque chose de nécessaire
dans l'exposé du fonctionnement d'un barrage.
Effectivement, dans le TPE nous observerons qu'à quatre moments distincts dans l'exploitation d'énergie d'un
barrage hydroélectrique, correspondent quatre types différents d'énergie : l'énergie potentielle, l'énergie
cinétique, l'énergie mécanique et enfin l'énergie électrique. Bien entendu, nos remarques ne peuvent être
appliquées pour des anciens barrages, comme ceux de l'Antiquité, qui n'utilisaient pas des systèmes aussi
complexes que ceux décrits ici. Aujourd'hui, les barrages sont construits en fonction de la forme et de la
nature du relief, ce qui a conduit à l'élaboration de différents types de constructions (cf. généralités sur les
barrages), mais le principe de production d'électricité reste globalement identique, même s'il existe des usines
hydroélectriques au fonctionnement un peu atypique que l'on trouve dans certains types de barrages bien
particuliers, par exemple les usines marémotrices, dont nous ne traiterons pas ici de la spécificité.
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Principaux types d'ouvrages
Il existe plusieurs types de barrages, tous adaptés à une certaine situation; il s'agira donc d'abord d'expliquer
les contraintes, puis d'exposer les 3 types de barrages les plus courants, ainsi que les raisons pour lesquelles
sont-ils plus adaptés à leur situation de référence.
La force la plus significative à laquelle le barrage doit faire résistance est évidemment la poussée de l'eau sur
la paroi, poussée qui peut être décomposée en deux forces différentes:
- la poussée hydrostatique exercée par l'eau sur son parement exposé à la retenue d'eau
- les sous-pressions (poussée d’Archimède), exercées par l'eau percolant dans le corps du barrage ou la
fondation
Cette dernière est moindre comparée à la poussée hydrostatique, mais doit nécessairement être prise en
compte lors de l'élaboration des caractéristiques du barrage. Il existe aussi des forces hypothétiques causées
par les mouvements sismiques, qui dépendent surtout de la localisation du barrage.
Pour résister à ces forces, deux stratégies sont utilisées :
- Résister aux forces avec le poids brut du barrage, généralement construits en béton (barrages poids) ou en
matériaux meubles (barrages en remblai).
- Reporter les forces vers les rives ou une fondation rocheuse résistante, afin d'avoir un barrage moins
volumineux mais tout aussi résistant (barrages voûte)
Par la suite, nous nous focaliserons sur ces trois types de barrages, qui sont les plus répandus dans le monde:
les barrages poids, les barrages voûtes et les barrages en remblai.
Barrages poids
Un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont
des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s'apparente
dans la plupart des cas à un triangle rectangle).
Barrage poids en béton classique d’Aussois (Savoie)
Modélisation de la coupe d'un barrage poids lambda
On compte deux grandes familles de barrages-poids, les barrages poids-béton, et les barrages en remblai (cf.
plus bas)
Les barrages poids sont très utilisés de nos jours, car beaucoup moins exigeants au niveau des conditions de
construction qu'un barrage voûte, et plus simple. Le rocher du site (vallée, rives) doit absolument être
suffisamment résistant pour supporter un tel ouvrage (les barrages poids sont très massifs), le choix d'utiliser
ce barrage est donc avant tout géologique : une assez bonne fondation rocheuse est nécessaire, mais pas
aussi pointilleuse que pour un barrage voûte, et il faut également disposer des matériaux de construction

(granulats, ciment) à proximité. Suite aux avancées dans l'élaboration du béton, le prix de ces ouvrages
décroît au fil du temps.
Barrages voûte
Un barrage voûte a une structure courbée, dont la forme est dessinée de façon à transmettre les efforts de
poussée de la retenue vers les rives. La poussée de l’eau est reportée sur les flancs qui bordent le barrage au
moyen d'un mur de béton arqué horizontalement, et parfois verticalement (on la qualifie alors de voûte à
double courbure). Du fait de cette courbure, lla pression de l'eau resserre le mur et la voûte transmet aux
berges les efforts colossaux qu'elle reçoit. L'épaisseur du barrage peut donc être grandement diminuée,
comparé à un barrage-poids, et donc une économie considérable de matériaux et de main d'oeuvre pourra
être réalisée.
Vue du ciel
Vue latérale
Modélisation d'un barrage voûte
classique
La technique de barrage voûte nécessite une vallée plutôt étroite (même si des barrages voûtes ont été
parfois construits dans des vallées assez larges, poussant cette technologie à ses limites) et un bon rocher de
fondation. Par le peu de matière utilisée, c'est évidemment une technique très satisfaisante
économiquement.
Cependant, la plus grande catastrophe de barrage vécue en France (Malpasset, au dessus de Fréjus, le 2
décembre 1959) concernait un barrage-voûte en cours de mise en eau ; c'est la fondation (et non pas le
barrage lui-même) qui n'a pas supporté les efforts appliqués par la retenue, la solidité de l’assise de l’ouvrage
sur les rochers était insuffisante. Néanmoins, c'est la seule rupture connue d'un barrage voûte en France.
Les photographies suivantes illustrent le barrage de Malpasset avant et après sa rupture en décembre 1959.

Barrage en remblai
On appelle barrages en remblai tous les barrages hydroélectriques constitués d'un matériau meuble, qu'il soit
très fin (argile) ou très grossier (enrochements).
Cette famille regroupe plusieurs catégories, très différentes. Les différences proviennent des types de
matériaux utilisés, et de la méthode employée pour assurer l'étanchéité.
Le barrage homogène est un barrage en remblai construit avec un matériau suffisamment étanche (argile,
limon). C'est la technique la plus ancienne de barrages en remblai.
Le barrage à noyau argileux comporte un noyau central en argile (qui assure l'étanchéité), épaulé par des
recharges constituées de matériaux plus perméables. Cette technique possède au moins deux avantages sur
le barrage homogène : les matériaux de recharge sont plus résistants que les matériaux argileux, on peut donc
construire des talus plus raides et on contrôle mieux les écoulements qui percolent dans le corps du barrage.
Quelques cousins des barrages à noyau : les barrages en remblai à paroi centrale étanche (paroi moulée en
béton, paroi en béton bitumineux).
Plus récente, la famille des barrages à masque amont. L'étanchéité est assurée par un "masque", construit sur
le parement amont du barrage. Ce masque peut être en béton armé, en béton bitumineux, ou constitué d'une
membrane mince (les plus fréquentes : membrane PVC, membrane bitumineuse).
Le barrage de Mattmark en Suisse est un exemple de ce type de barrage.
Barrage en remblai de Mattmark (Suisse)

Éléments de calcul de la résistance d'un barrage
Un barrage est soumis à une force horizontale perpendiculaire liée à la pression exercée par l'eau sur sa
surface immergée. La pression hydrostatique p en un point sur la paroi du barrage dépend
proportionnellement de la hauteur d'eau au-dessus de ce point, on peut déduire sa formule:
P = ρ.g.h
avec : ρ la masse volumique de l'eau (1000 kg/m3)
g l'accélération de la gravité (9,81 m/s2)
h la hauteur d'eau au-dessus du point considéré (en mètres)
La force F résultante est la somme de l'ensemble des pressions hydrostatiques s'exerçant sur chaque point de
la surface immergée du barrage, c'est donc l'inverse de la résistance minimale nécessaire au barrage. Si l'on
considère un barrage construit avec des matériaux rigides (béton, maçonnerie...), quel que soit son type
(poids, voûte, contreforts), on peut déduire cette équation:
F =
Cette formule basique ne peut s'appliquer à des barrages dont la forme, le fonctionnement diffère du barrage
poids classique; d'autres formules, prenant en compte les critères spécifiques au type de barrage, par
exemple dans le cas d'un barrage voûte la répartition de l'effort sur les berges, devront être exploitées. En
revanche, une expression analytique simple peut être obtenue pour un barrage poids (et uniquement un
barrage poids), si l'on considère seulement un élément de son ensemble, formant un triangle rectangle.
F = ρ.g.L
d'où: F = ρ.g.L.1/2.h2
avec : h la hauteur totale du barrage en contact avec l'eau.
L la largeur totale du plot considéré.
La poussée exercée par l'eau ne dépend donc aucunement du volume d'eau stocké dans le lac de retenu, mais
de la hauteur de la partie du barrage immergée. Concrètement, cela s'illustre dans le fait qu'un barrage de
150 mètres de haut retenant 5000 m3 d'eau devra être plus résistant qu'un barrage de 75 mètres de haut
retenant 107 m3 d'eau !
En revanche, en ce qui concerne les barrages en matériaux meubles (sol, terre, enrochements, remblais…), les
calculs sont apparentés à des calculs de stabilité de pente des talus qui doivent prendre en compte l'état
saturé ou non de ces remblais.