ASSAINISSEMENT ROUTIERLE DIMENSIONNEMENT DES OUVRAGES D’ASSAINISSEMENT ROUTIER Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 1 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 2 1 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE LE CYCLE DE L’EAU L’atmosphère est le siège d’un perpétuel changement d’état de l’eau selon un cycle fermé. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 3 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE DESCRIPTION DE LA PLUIE Les précipitations sont des phénomènes essentiellement aléatoires et discontinus, variables dans le temps et l'espace. Elles sont caractérisées par : la quantité d’eau tombée ou l'intensité; la durée de l’averse; la zone géographique touchée. Un type de précipitations intéresse plus particulièrement le projeteur : les orages convectifs car ils générent de fortes intensités. Ils se produisent, en général en fin de journée chaude, et sont provoqués par la montée de l’air chaud dans des zones plus froides. Ces orages se caractérisent par : leur ponctualité spatiale leur brièveté temporelle leur très fortes intensités. La mesure de ces caractéristiques et l’exploitation statistique de ces mesures constituent la PLUVIOMETRIE. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 4 2 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE COMMENT ESTIMER LA HAUTEUR La mesure des précipitations est réalisée par : • le pluviomètre totalisateur pour lequel la mesure de la quantité d’eau recueillie est réalisée par un opérateur, le cumul mesuré porte donc sur la période séparant deux lectures (en général 24 h) . • le pluviomètre enregistreur qui est doté d’un système automatique de jaugeage permettant de mémoriser de façon discrète ou continue l’évolution du cumul d’eau dans le temps et nous permet donc de connaître les intensités de pluie. La mesure est réalisée par augets basculeurs, pesée ou flotteurs. • Le radar météorologique qui est un radar à impulsions, c'est-à-dire qu'il émet des impulsions de très courte durée suivi d'un temps mort beaucoup plus long pour « écouter » les échos de retour venant des précipitations. On peut ainsi repérer la position, l'intensité et le déplacement de ces dernières. On peut même tirer le type du signal retourné, si on sait quelles variables de l'écho analyser. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 5 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le pluviomètre totalisateur Ils mesurent volumétriquement l’eau recueillie sur une surface horizontale bien déterminée. Ils comprennent : - une bague - une entretoise - un seau collecteur - un pied métallique - une éprouvette graduée. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 6 3 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le pluviomètre enregistreur L ’eau recueillie par une bague pluviométrique est déversée dans un des compartiments d ’un auget double qui bascule lorsque ce compartiment contient une certaine quantité d ’eau (20 g) et met aussitôt l ’autre compartiment en position de réception lorsque le premier se vide. Chaque basculement, par l ’intermédiaire d ’un système mécanique, provoque le déplacement d ’un stylet devant un cylindre à axe vertical effectuant une rotation par jour ou par semaine. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 7 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le pluviomètre enregistreur Une pluie se traduit par un escalier plus ou moins rapide sur le diagramme suivant l ’intensité de la précipitation. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 8 4 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le radar météorologique Principe de mesure - émission d’une onde électromagnétique (3 < λ < 10 cm) - en partie rétro-diffusée par les précipitations - balayage < 1 min jusqu’à 100 km Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 9 La pluie : la mesure Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 10 5 Exemple sur la communauté urbaine du Grand Nancy Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 11 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le radar météorologique +++ spatialisation et résolution temporelle qui permet une mesure, voire une prévision à courte échéance, de la lame d’eau précipitée --- incertitudes de mesure : masque, remplissage partiel du faisceau, bande brillante, atténuation, …. nécessite de ‘caler’ les images radars sur les pluviomètres au sol Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 12 6 • Le radar --- incertitudes de mesure Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 13 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE Le radar météorologique • Le radar Application opérationnelle - gestion en temps réelle pour de grandes collectivités : surveillance avec un radar, identification de scénarios de gestion (Nancy, Seine St-Denis, …) - le réseau ARAMIS de Météo-France couvre la France (actuellement 14 radars): acquisition d’images pour étude et retour d’expérience d’événements passés exceptionnels Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 14 7 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE HAUTEURS D’EAU JOURNALIERES Ces valeurs de fréquence décennale (P 10) découlent de l’exploitation des pluviomètres et sont utilisées dans certaines formules pour estimer le débit d’apport des bassins versants naturels. L’ensemble des valeurs sont reprises ci-après sur une carte donnant pour la France ce paramètre P10. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 15 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE CARTES DES PLUIES JOURNALIERES DECENNALES P10 (mm) Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 16 8 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE RELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE – Relation de Montana : i = a t -b i = intensité de pluie en mm/h t = temps en minute a et b sont les paramètres pluviométriques de la région considérée Les relations de la forme i = a t-b ne permettant généralement pas de bien représenter les courbes intensité-durée de pluie pour toutes les durées (de 6 min. à 24 h), elles ont été séparées en deux ou trois relations : - de 6 à 30 min (a1 et b1 ) - de 15 à 360 min (a2 et b2) - de 360 min à 24 h (a3 et b3 ) Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 17 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE RELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE Courbes INTENSITE - DUREE - FREQUENCE AMIENS Intensité en mm/heure 400 350 100 an s 50 a n s 20 a n s 10 ans 5 an s 2an s 300 250 200 150 100 90 mm/h 50 0 5 10 20 15 mIn Assainissement routier 25 30 35 40 45 50 55 60 Durée d’averses en minutes Document réalisé par B. KERLOC'H 18 9 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE RELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE Pour être plus précis, le temps limite t issu de l’intersection des courbes a1 t –b1 et a2 t –b2 a pour expression : Lna −Lna1 t = exp 2 b2 −b1 Il faut donc prendre les paramètres a1 et b1 si le temps de concentration du bassin versant considéré est inférieur au temps limite t, sinon il faut prendre les paramètres a2 et b2 . Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 19 NOTIONS DE PLUVIOMETRIE RELATIONS INTENSITE-DUREE-FREQUENCE Exemple de calcul de l’intensité sur Lille: a1 = 323 et b1 = 0,499 a2 = 925 et b2 = 0,826 point d’intersection 25 min pour t = 15 min : i = 323 x 15 – 0,499 soit i = 84 mm/h pour t= 40 min : i = 925 x 40 – 0,826 soit i = 44 mm/h Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 20 10 NOTIONS D’HYDRAULIQUE Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 21 DEBIT CAPABLE D’UN OUVRAGE • FORMULE DE MANNING - STRICKLER V = K . Rh2/3 . p 1/2 Qc = V . S = K . Rh2/3 . p 1/2.S K = Coefficient de Manning - Strickler Sm = Section mouillée de l’ouvrage au m2 Pm = Périmètre mouillé de l’ouvrage en m Rh = Rayon hydraulique de l’ouvrage Sm /Pm en m p = Pente longitudinale de l’ouvrage en m/m V = Vitesse de l’eau dans l’ouvrage en m/s Qc = Débit capable de l’ouvrage en m3/s Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 22 11 NOTIONS D’HYDRAULIQUE A D B C Section mouillée (Sm) C'est la section "ABCD" occupée par le fluide dans l'ouvrage. Périmètre mouillé (Pm) C'est le périmètre de l'ouvrage en contact avec le fluide égal à AB + BC + CD Rayon hydraulique (Rh) C'est le "rayon moyen" de la section obtenu par le rapport Sm Rh = Pm Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 23 LE COEFFICIENT K DE MANNING-STRICKLER Valeurs courantes de K : - Fossés profonds engazonnés : K = 25 à 30 - Ouvrages en béton : K = 70 à 80 - Ouvrages PVC, PEHD : K = 100 à 120 - Ouvrages métalliques en tôle ondulée : K = 40 à 45 - Ouvrages engazonnés peu profonds : K varie de 7 et 30 par application de la formule suivante : et K = 18 loge (100 Rh) + 5,13 loge (pente) – 11 - Tuyaux en béton : K = 70 à 90 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 24 12 VITESSES MAXIMALES • Ouvrage en terre Terrain naturel sans végétation : - limons : V = 0,2 à 0,5 m/s - sable à granulométrie dense: V = 0,5 à 0,75 m/s - sables limoneux : V = 0,75 à 0,9 m/s - argiles : V = 0,9 à 1,5 m/s - graviers et galets : V = 1,5 à 2,4 m/s Terrain naturel engazonné : V = 1,8 m/s variable selon l’engazonnement • Ouvrage en béton : V = 4 m/s Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 25 DEBIT CAPABLE D’UN OUVRAGE Le Rh joue un rôle important, et de ce fait la forme de l’ouvrage dépendra du but recherché par le projeteur. En effet : pour une même section mouillée le Rh peut être différent suivant le périmètre mouillé. Exemple : soit deux ouvrages bétonnés de section mouillée S = 0,25 m2, K = 80 et de pente p = 0,01 m/m L’ouvrage n° 1 aura : un Rh = 0,25/1.50 = 0,166 m une vitesse V = 2,41 m/s un débit Qc = 0,602 m3/s L’ouvrage n° 2 aura : un Rh = 0,25 /2,70= 0,092 m V = 1,63 m/s Qc = 0,407 m3/s Si le projeteur recherche à évacuer rapidement possible les eaux, il portera son choix sur des ouvrages 1 sans toutefois perdre de vue la vitesse (dégradation). Dans le cas contraire, son choix va sur des ouvrages 2 (revêtus ou engazonnés). Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 26 13 DEBIT CAPABLE D’UN OUVRAGE Vitesse et débit en fonction du remplissage Tuyau béton ∅ 1000 pente 1% 4,0 3,5 Vite s s e ma ximum à 8 1 % d e la ha ute ur Débit 3,0 Vitesse vitesse en m/s débit en m 2,5 D é b it m a ximum à 9 4 % d e la ha ute ur 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% % de remplissage Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 27 LES BASSINS VERSANTS ROUTIERS Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 28 14 METHODE DE CALCUL La méthodologie générale de dimensionnement consiste à vérifier que le débit à évacuer est inférieur ou égal au débit capable de l’ouvrage choisi, tout au long de l’écoulement. Elle est tirée du guide technique Assainissement routier du SETRA (octobre 2006). Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 29 METHODE DE CALCUL DONNEES PLUVIOMETRIQUES Il faut se fixer la période de retour, en général : 10 ans pour l'assainissement de la plate-forme Pour connaître l’intensité de pluie à appliquer sur le bassin versant considéré, on utilise la relation de Montana : i = a t -b i = intensité de pluie en mm/h t = temps en minute a et b sont les paramètres pluviométriques propres à la région d’étude. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 30 15 METHODE DE CALCUL CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU PROJET L'IMPLUVIUM Selon le point de calcul considéré, c'est la surface du bassin versant routier repris par l'ouvrage à calculer. Il est caractérisé par : les surfaces élémentaires le coefficient de ruissellement de chaque surface Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 31 METHODE DE CALCUL CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU PROJET Le coefficient de ruissellement: - chaussées, parties revêtues : C = 1 - grave stabilisée traitée : C = 0,8 - grave stabilisée non traitée : C = 0,5 - terre végétale engazonnée : C = 0,7 pour les surfaces traversées par l’eau provenant de la chaussée C = 0,3 dans les autres cas - ouvrage d’assainissement : C = 0,7 si engazonné C = 1 si revêtu D’où le coefficient de ruissellement pondéré : C = Assainissement routier ∑ (C j × L j) ∑ Lj Document réalisé par B. KERLOC'H 32 16 METHODE DE CALCUL CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU PROJET Exemple de calcul de coefficient de ruissellement 7m Cpond = 2m 1m 1,5 m 2,5 m ∑ (Cj × Lj ) = (1× 7) + (1× 2) + (0,7 ×1) + (1×1,5) + (0,3 × 2,5) = 0,85 7 + 2 + 0,7 + 1,5 + 2,5 ∑ Lj Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 33 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DEMARCHE DE CALCUL - 1. Débit capable de l’ouvrage choisi On évalue le débit capable à pleine section Qc = K . Rh2/3 . p 1/2.S - 2. Détermination de la vitesse pleine section On détermine la vitesse Vc comme indiqué précédemment soit : Vc = Qc / S Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 34 17 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DEMARCHE DE CALCUL - 3. Détermination du temps de concentration On calcule le temps de concentration Tc Tc = Tc1 + Tc2 = (1 min. par voie) + (1/ 60 x (L / 0,85.Vc)) L : longueur de l’ouvrage en m. Tc1 : Temps de ruissellement sur la chaussée en minutes Tc2 : Temps de parcours dans l’ouvrage en minutes Tc : Temps de concentration en minutes Vc : Vitesse de l’ouvrage Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 35 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DEMARCHE DE CALCUL - 4. Évaluation de l’intensité correspondante on évalue l’intensité à prendre en compte par la formule : i10 = a (Tc)-b - a et b : coefficients de MONTANA du site d’étude - i10 en mm/h - Tc temps de concentration du bassin versant routier en mn - 5. Évaluation du coefficient de ruissellement on évalue le coefficient de ruissellement pondéré par la formule : ∑ (C j × L j) C = Assainissement routier ∑ Lj Document réalisé par B. KERLOC'H 36 18 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DEMARCHE DE CALCUL - 6. Évaluation du débit d’apport on évalue le débit d’apport par la application de la formule : Qa = (1/3600) x C x i10 x A Qa : débit en l/s A : aire du bassin d’apport exprimée en m² i : intensité de l’averse exprimée en mm/h C : coefficient de ruissellement pondéré Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 37 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DEMARCHE DE CALCUL - 7. Vérification de l’ouvrage de collecte Pour l’ouvrage de collecte choisi, on compare le débit capable de l’ouvrage (Qc) au débit d’apport (Qa) . Si Qc > Qa : l’ouvrage choisi convient et on reproduit le calcul sur le tronçon suivant. . Si Qc < Qa, on passe à un autre ouvrage de capacité supérieure. Le point d’insuffisance où Qa = Qc peut se déterminer plus précisément par itération et obtenir ainsi la longueur exacte d’utilisation de l’ouvrage. De la même manière on peut connaître le débit de pointe réel rejeté par le bassin au point de calcul désiré. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 38 19 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DETERMINATION DU DEBIT DE REJET En faisant varier la hauteur d’eau dans l’ouvrage (par itération), on peut ainsi déterminer le débit de rejet : Niveau 1 : Q cap1 ⇒ V1 ⇒ Tc1 ⇒ I1 ⇒ Q app1 Niveau 2 : Q cap2 ⇒ V2 ⇒ Tc2 ⇒ I2 ⇒ Q app2 Si on trace sur un graphique le débit d’apport du projet et le débit de l’ouvrage en fonction de la hauteur d’eau, l’intersection des deux courbes nous donne le débit maximum au rejet. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 39 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION DETERMINATION DU DEBIT DE REJET Débit de projet en fonction du débit capable de l'ouvrage 600 506 500 Q=408 l/s 400 Débits (l/s) 375 429 410 402 390 353 417 354 320 300 280 257 209 200 141 Débit capable de l'ouvrage 100 80 Débit du projet 28 0 5 10 Assainissement routier 15 20 25 Hauteur d'eau (cm) 30 Document réalisé par B. KERLOC'H H=34cm 35 40 40 20 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION ASSEMBLAGE DE BASSINS Le regroupement de bassins se fait : • Soit en série lorsqu’une zone s’écoule vers une autre zone, • Soit en parallèle lorsque deux zones se regroupent en un point Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 41 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION ASSEMBLAGE DE BASSINS Calcul des débits en série: Le temps de concentration Tc devient : Tc = Tc1 + ∑ Tc2 Alors : i = a (Tc)-b A = Σ Aj C = (Σ Σ Cj.Aj ) / Σ Aj Donc : Qa = (1/3600) x C x i x A Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 42 21 METHODE DES TEMPS DE CONCENTRATION ASSEMBLAGE DE BASSINS Calcul des débits en parallèle: On prend l’intensité du bassin qui a le temps de concentration le plus long et on l’applique sur la totalité de l’impluvium considérée. Exemple : On a : Q1 et Q2 avec i1 < i2 et Tc1 > Tc2 Donc : i = i1 A = Σ Aj C = (Σ Σ Cj.Aj ) / Σ Aj D ’où : Qa = (1/3600) x C x i1 x A Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 43 LES BASSINS VERSANTS NATURELS DIR Assainissement routier CETE Nord Picardie 44 22 BASSINS VERSANTS NATURELS GENERALITES • Les bassins concernés par ces méthodes sont majoritairement des bassins dits « courants » de petite taille (jusqu’à quelques dizaines de km²), • Pour certains types de bassins rencontrés, ces méthodes ne conviennent pas et demandent la réalisation d’une étude spécifique : -Les bassins versants karstiques -Les bassins versants comportant de grandes zones de stockage -Les bassins versants urbains Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 45 BASSINS VERSANTS NATURELS GENERALITES • Les bassins versants karstiques B.V. réel Bassin versant karstique R R Exutoire B.V. apparent R: Résurgences Il existe une incertitude sur les contours du B.V. réel par rapport au B.V. apparent Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 46 23 BASSINS VERSANTS NATURELS GENERALITES • Les bassins versants comportant de grandes zones de stockage Bassin versant avec retenues d'eau Barrage coteau ZONE INONDABLE étang Les débits sont écrêtés par ces zones de stockage aussi les méthodes proposées surestiment le débit. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 47 BASSINS VERSANTS NATURELS GENERALITES • Les bassins versants urbains Selon l’Instruction Technique Relative à l’Assainissement des Agglomérations un bassin est réputé « urbain » si son taux d’imperméabilisation est < à environ 20 %. Ce taux est le rapport de la totalité des surfaces imperméabilisées à la superficie totale du B.V. Conditions de superficie du bassin versant urbain : SBVU ≤ 2 km² (limite d’utilisation des formules de l’Instruction) Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 48 24 BASSINS VERSANTS NATURELS DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES • • • • • - Morphologique : * Superficie en km² * Pente moyenne en m/m ou % (dénivelée, longueur d’écoulement en m) - Occupation du sol : . Zones boisées, zones urbanisées, autres (cultures, prairies, prairies, .) en km² - Géologie : - Nature du réseau hydrographique : sections des lits et des ouvrages existants, érosions, zones inondables ou retenues d’eau …. - Moyens d’étude : . Cartes topographiques : 1/25.000ème IGN principalement . Plans topographiques du projet routier . Carte géologique . Reconnaissance pédestre Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 49 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL Pour l’estimation des débits des bassins versants naturels, il existe trois grandes familles de méthodes : - méthodes statistiques : Elles nécessitent la connaissance de données observées sur de longues périodes. - méthodes analytiques : Elles consistent à quantifier le passage du hyétogramme (pluie) à l’hydrogramme (débit) - méthodes déterministes : Elles consistent à rechercher une relation entre les facteurs (climat, topographie, géologie etc..) et les caractéristiques des crues Chaque formule a son propre domaine de validité Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 50 25 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL Les méthodes utilisées dans le G.T.A.R. sont : - méthode rationnelle - méthode CRUPEDIX - méthode de transition (rationnelle, CRUPEDIX) D’autres méthodes existent en exemple : - méthode SOGREAH - méthode SOCOSE - méthode KIRPICH - méthode de BURKLI-ZIEGLER Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 51 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • METHODE RATIONNELLE Données: - C :Coefficient de ruissellement - source : évaluation par l’utilisateur - A : Surface du Bassin versant - source : caractéristiques topographiques du bassin versant en km² - Tc : Temps de concentration du Bassin versant - source : module de détermination de tc en minutes - a et b : Paramètres de Montana - source : tables régionales ou imposés par l’utilisateur. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 52 26 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • METHODE RATIONNELLE Formulation Q10 =(1/3,6)x C x I x A Q10 : Débit décennal en m3/s A : Surface du bassin versant naturel en km2 I : intensité de la pluie en mm/h calculée par la formule de Montana : I = a Tc-b C : coefficient de ruissellement • LIMITE DE VALIDITE : -Superficie comprise entre 0 et 10 km² en France métropolitaine sauf façade méditerranéenne -Jusqu’à quelques dizaines de km² sur la façade méditerranéenne Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 53 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • COEFFICIENT DE RUISSELLEMENT C pour T 10ans On pourra adopter suivant la couverture végétale, la forme, la pente et la nature du terrain les valeurs de C : Couverture Morphologie végétale Presque plat Bois Ondulé Montagneux Presque plat Pâturage Ondulé Montagneux Presque plat Culture Ondulé Montagneux Assainissement routier Pente (%) 0-5 5-10 10-30 0-5 5-10 10-30 0-5 5-10 10-30 Terrain sable grossier 0,10 0,25 0,30 0,10 0,15 0,22 0,30 0,40 0,52 Document réalisé par B. KERLOC'H Terrain limoneux 0,30 0,35 0,50 0,30 0,36 0,42 0,50 0,60 0,72 Terrain argileux 0,40 0,50 0,60 0,40 0,55 0,60 0,60 0,70 0,82 54 27 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • COEFFICIENT DE RUISSELLEMENT C En présence de zones de perméabilités différentes, la valeur du coefficient à prendre en compte est : C= ∑ (Cj × Aj) ∑ Aj Aj étant les surfaces élémentaires auxquelles correspondent les coefficients Cj Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 55 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • VARIATION DU COEFFICIENT C pour T > 10ans Le coefficient de ruissellement croît avec la période de retour et selon le degré de perméabilité et de rétention des sols. • La rétention initiale peut-être évaluée par la relation ci-après : avec : -C (10) : coefficient de ruissellement de période de retour 10 ans C(10) × P10 P0 = 1 − -P (10) :pluie 24h, T = 10 ans en mm 0,8 -P (0) :seuil de ruissellement en mm • Et la valeur de C (T) pour T > 10 P C (T ) = 0,81 − 0 P (T ) avec C (10) < 0,8 , si C (10) ≥ 0,8, on admettra : P (0) = 0 et C (T) = C (10) Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 56 28 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • VITESSE D’ECOULEMENT SUR LES BASSINS VERSANTS NATURELS La vitesse (V en m/s) se détermine en fonction du type d’écoulement observé et de la pente (p en mm/s) : Écoulement en nappe V = 1,4 × p1 / 2 Écoulement concentré V = 15 × p1/ 2 écoulement en nappe Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 57 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • POUR UN TEMPS DE CONCENTRATION T =10ans Lj 1 tc = × ∑ 60 Vj avec Lj : Longueur d’écoulement sur un tronçon de pente constante en m. Vj : vitesse d’écoulement correspondante en m/s. tc : temps de concentration en mn. • POUR UN TEMPS DE CONCENTRATION T > 10ans tc(T ) avec : . tc tc(T) (T) : temps de concentration pour la crue de temps de retour T, en mn. mn. tc10 : temps de concentration décennal, en mn. mn. P(T) : pluie journalière non centrée de temps de retour T, en mm. P(10) : pluie journalière non centrée décennale, en mm. P(0) : seuil de ruissellement, en mm. P(T ) − P0 = tc10 × P10 − P0 Assainissement routier −0 , 23 Document réalisé par B. KERLOC'H 58 29 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • INTENSITE DE LA PLUIE i (T) = a (T) t-b (T) Avec : - I :pluie critique en mm/h, pour une période de retour T. (T) - t : temps en mn égal au temps de concentration du bassin versant routier en fonction de la période de retour T retenue. - a et b : paramètres pluviométriques données par les Services Météo selon la région d’étude et la période de retour T. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 59 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • METHODE CRUPEDIX Formulation Q10 = S 2 0,8 P(10) × R × 80 Données: - Surface du bassin versant (S) en km² - Coefficient régional (R) carte nationale (sans unité) - Pluie décennale journalière (P(10)) donnée Météo France en mm (voir carte ci-après) - LIMITE DE VALIDITE : - - à partir de quelques km2 ou plusieurs dizaines de km2. - - formule valable pour le seul débit décennal Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 60 30 METHODE CRUPEDIX Carte pour l’application du coefficient régional Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 61 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • FORMULE DE TRANSITION Cette formule permet d’ajuster les débits fournis par les formules rationnelle et CRUPEDIX. La formule de transition s’écrit : avec : Q (T) : débit de projet de temps de retour T, Q (R (T) : débit fourni par la formule rationnelle, temps de retour T, Q (C (T) : débit fourni par la formule Crupédix, temps de retour T, α, β : coefficients de pondération avec 0 < α < 1 et 0 < β < 1 et α + β = 1 Q(T ) = α × QR (T ) + β × QC (T ) α varie linéairement de 1 à 0 lorsque la superficie (S) croît de 1 à 10 km², d’où : 10− S France sauf façade méditerranéenne et β = 1 - α 9 α varie linéairement de 1 à 0 lorsque la superficie (S) croît de 10 à 50 km² α= α= 50− S Façade méditerranéenne et 40 Assainissement routier β=1-α Document réalisé par B. KERLOC'H 62 31 BASSINS VERSANTS NATURELS METHODES DE CALCUL • PLAGES D’UTILISATION POUR CHACUNE DES TROIS FORMULES Superficie du bassin versant 1 Km2 10 Km2 50 Km2 France sauf façade méditerranéenne Formule rationnelle Formule de transition Formule CRUPEDIX Formule CRUPEDIX France méditerranéenne Formule rationnelle Formule rationnelle Formule de transition Formule CRUPEDIX Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 63 CALCUL DES DEBITS DES BASSINS VERSANTS NATURELS • METHODE SOGREAH (abaque de synthèse) Données: - Surface du bassin versant : caractéristiques topographiques du bassin en km² - Pente du bassin versant : caractéristiques topographiques du bassin en % - Pluie décennale (P10) : Météo France en mm - Perméabilité du sol : caractéristiques géologiques du bassin (sans unité, sols assez imperméables ou semi-perméables - LIMITE DE VALIDITE : 1 à 100 km2,voire 200 km2, P10 entre 50 et 200 mm. - Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 64 32 aba que des d ébits des bassins versants de 1 à 100 km 2 S p P E xe m ple S = 2 3 km p% = 3 P = 100 mm se m i-pe r m éa ble Q = 1 7 m 3 /s km % mm et la p e rm é a bilité ABAQUE DE SYNTHESE SOGREAH Assainissement routier So l a ss e z im p er m é ab le (sa b le s et lim o ns a rg ile u x) M ar ne s C as g é né ra l d e s o l s em i-p er m éa b le s ur d e s gr an ite s g n eiss ro c he s v olca n iq ue s s ch is te s g ré s c alca ire s Document réalisé par B. KERLOC'H 65 FORMATION ASSAINISSEMENT ROUTIER RETABLISSEMENT DES ECOULEMENTS NATURELS Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 66 33 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT On parle d’écoulement pour désigner le mouvement d’une masse d’eau à la surface du sol, dans un bief, un réseau… Le régime d’écoulement caractérise quant à lui les conditions dans lesquelles s’effectue l’écoulement. Il est déterminé: – D’une part par la pente, la forme et la rugosité de la conduite – D’autre part par le débit et la viscosité du liquide Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 67 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Il existe différentes classifications des régimes d’écoulement, qui peuvent tous se rencontrer dans les réseaux d’assainissement urbains. On peut ainsi différencier : –Les Les écoulements coulements laminaires et les écoulements coulements turbulents, –Les Les écoulements coulements permanents et les non permanents, –Les Les écoulements coulements à surface libre et les écoulements coulements en charge, –Les Les écoulements coulements uniformes et les écoulements coulements variés, vari s, –Puis Puis en fonction de la pente, les écoulements coulements fluviaux, les écoulements coulements critiques ou les écoulements coulements torrentiels. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 68 34 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Les relations possibles entre les différents régimes d’écoulement apparaissent sur le schéma suivant: Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 69 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Régimes laminaires et turbulents Physiquement, les deux régimes se distinguent par la nature des interactions qui se produisent entre les particules de liquide. Dans un régime laminaire les trajectoires suivies par les particules élémentaires du fluide restent toujours strictement parallèles et indépendantes, l’écoulement ne présente aucun brassage. Au contraire dans un régime turbulent, turbulent les particules du fluide ne sont jamais strictement parallèles, elles ont tendances à s’entrechoquer dans des tourbillons de formation aléatoire. L’écoulement apparaît comme agité. Il y a donc un brassage permanent conduisant une dissipation plus importante de l’énergie. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 70 35 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT La distinction entre les régimes laminaire et turbulent se fait selon la valeur d’un nombre sans dimension issue d’une condition de similitude dans l’équation de Navier Stokes : Le nombre de Reynolds dans une conduite d’assainissement Re = V.D υ Avec : D :Diamètre de la conduite en m (ou diamètre hydraulique : D = 4 Rh) V :Vitesse moyenne du fluide en m/s ν :Viscosité cinématique en m²/s Si Re < 2000, l’écoulement est laminaire Si Re > 2300, l’écoulement est turbulent Si 2000 < Re < 2300, on est en régime de transition Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 71 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 72 36 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 73 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT • Régimes permanent et non permanent Le régime permanent désigne un écoulement dont les caractéristiques ne varient pas dans le temps. Dans ces conditions, les différentes grandeurs hydrauliques (hauteur, vitesse et débit) conservent toujours la même valeur en un point donné. Dans le cas contraire, on parle de régime non permanent, permanent de régime transitoire, ou encore parfois de régime évolutif. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 74 37 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 75 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 76 38 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT • Écoulements en charge et à surface libre L’écoulement est dit à surface libre lorsqu’il se produit dans un canal à ciel ouvert ou dans une conduite fermée avant que celleci ne soit pleine, et temps que la pression de l’air au dessus de la veine liquide est voisine de la pression atmosphérique. Il est dit en charge lorsqu’il se produit dans une conduite fermée et que celle-ci est pleine. Il n’y a plus d’air dans la conduite et la section mouillée de l’écoulement est égale à la section totale de la conduite. Les écoulements en charge sont théoriquement exceptionnels dans les réseaux d’assainissement qui doivent être dimensionnés pour écouler à surface libre les débits correspondant à la période de retour choisie comme référence. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 77 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT • Régime uniforme et régimes variés Le régime uniforme correspond à un écoulement dont les caractéristiques hydrauliques (vitesse, hauteur, débit) sont strictement indépendantes du temps et de la position. Dés que l’une des caractéristiques de l’écoulement présente une variation dans l’étendue du tronçon étudié, le régime est dit varié. vari On distingue alors le régime graduellement varié, vari pour lequel les caractéristiques de l’écoulement varient lentement dans l’espace. Et le régime rapidement varié, pour lequel les caractéristiques de l’écoulement varient rapidement. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 78 39 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 79 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Schéma de représentation des différents régimes d’écoulement variés ECOULEMENT GRADUELLEMENT VARIE ECOULEMENT RAPIDEMENT VARIE Ligne d ’écoulement uniforme Ligne de remous Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 80 40 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Écoulements à pente forte ou à pente faible Les propriétés hydrauliques d’une rivière ou d’une conduite différent considérablement suivant les valeurs relatives de sa pente i et de la pente critique ic. Si i < ic , le tronçon est dit à pente faible; Si i = ic , le tronçon est dit à pente critique; Si i > ic , le tronçon est dit à pente forte. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 81 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 82 41 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 83 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 84 42 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT • Régime fluvial et régime torrentiel La distinction entre le régime fluvial et le régime torrentiel se fait selon la valeur d’un nombre sans dimension apparaissant dans l’équation de Navier : Le nombre de Froude V2 Q 2 .B Fr = Avec : Fr : B: g: h: V: S: Q: h.g = g.S3 Nombre de Froude Largeur au miroir en m (B=dS/dh) Accélération de la pesanteur en m/s² La hauteur d’eau en m La vitesse moyenne du fluide en m/s La section moyenne du fluide en m² Débit en m3/s (Q=V.S) Si F < 1, le régime d ’écoulement est dit fluvial, Si F = 1, le régime d’écoulement est dit critique, Si F > 1, le régime d’écoulement est dit torrentiel. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 85 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Si le régime d’écoulement est torrentiel, alors la hauteur d’eau est inférieure à la hauteur critique. Dans ces conditions, la célérité des ondes est inférieure à la vitesse de l’eau et une perturbation n’affecte les conditions d’écoulement qu’à l’aval de son point de départ. Diffusion des ondes générées par l’enfoncement d’un caillou en régime torrentiel Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 86 43 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 87 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 88 44 LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Si le régime d’écoulement est fluvial, alors la hauteur d’eau est supérieur à la hauteur critique. Dans ces conditions, les ondes se propagent plus vite que l’eau et toute perturbation affecte les conditions de l’écoulement à la fois à l’amont et à l’aval de son point de départ. Diffusion des ondes générées par l’enfoncement d’un caillou en régime fluvial Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 89 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 90 45 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 91 Les rétablissements d’écoulements naturels Les rétablissements d’écoulements naturels font appel à la théorie des écoulements à surface libre. Un écoulement est dit libre si, à sa partie supérieure, le liquide est soumis à la pression atmosphérique ; la ligne piézométrique est confondue avec le niveau du liquide. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 92 46 Les écoulements sont classés selon deux types: - les écoulements uniformes - les écoulements graduellement variés Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 93 - les écoulements uniformes : Un écoulement est uniforme si la pente, la section transversale (forme et nature des parois) et la vitesse sont constantes. (ex : ouvrages d’assainissement de plateforme) Dans de telles conditions, on peut appliquer la formule de MANNING - STRICKLER : Q = K × Rh 2 / 3 × I 1/ 2 × S Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 94 47 - les écoulements graduellement variés : Un écoulement est graduellement varié si ses différents paramètres (pente, section transversale et vitesse) varient de façon continue, progressive et lente. Dans de telles conditions, on applique l’équation de BERNOUILLI : V 2 H = z+ y+ = C te 2g Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 95 L’équation de BERNOUILLI : H = z+ y+ V 2 = C te 2g avec : H : charge en mètre z : cote d’un point quelconque du fond y : hauteur piézométrique V : vitesse de l’eau en m/s g : accélération de la pesanteur Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 96 48 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 97 H V (1) 2g ∆ H 2 V ( 2) 2g Ligne de charge 2 Ligne piézométrique : surface libre y1 y2 z1 fond z2 1 Assainissement routier 2 Document réalisé par B. KERLOC'H Plan de référence 98 49 • Ligne de charge écoulement uniforme λ V2 2g h Ligne de charge Surface libre z Fond du canal Niveau de référence • Ligne de charge écoulement graduellement varié Ligne de charge 2 λ V1 2g 2 λ Surface libre ∆E V2 2g H1 h1 E1 h2 H2 E2 Fond Z1 Z2 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 99 On peut écrire que la charge H entre le point 1 et 2 est constante aux pertes de charges près soit : V (1) 2 V (2) 2 H = z1 + y1 + = z2 + y2 + +∆H 2g 2g Pour simplifier, si on considère le fond comme plan de référence, l’équation devient : Hs représente la Comme V = Assainissement routier Q S V2 = Cte charge2 gspécifique. Hs = y + on obtient Q2 Hs = y + 2 gS 2 Document réalisé par B. KERLOC'H 100 50 H Q Hs = e nt a t ns co y2 Hc L yc 45 y1 y1 yc y2 Torrentiel Fluvial Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 101 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 102 51 On constate que la charge spécifique passe par un minimum pour une hauteur d’eau yc appelée hauteur critique. La profondeur critique est racine de l’équation : Q2L = 1 g S3 Si la charge H est supérieure à la charge critique, l’écoulement peut se faire de deux manières : y1 et y2. Si la profondeur de l’eau est faible : y1 < yc alors la vitesse est grande. Si la profondeur de l’eau est forte : y2 > yc alors la vitesse est faible. On définit ainsi deux régimes d’écoulement possibles : - le régime torrentiel (y < yc) -Assainissement le régime fluvialDocument (y > yc). routier réalisé par B. KERLOC'H 103 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 104 52 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 105 Régime fluvial : l’énergie cinétique est faible, la hauteur d’eau est importante, la vitesse est faible, on dit qu’on se trouve en contrôle aval. Régime torrentiel : l’énergie cinétique est importante, la hauteur d’eau est faible, la vitesse est forte, on dit qu’on se trouve en contrôle amont. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 106 53 Lorsqu’on passe du régime torrentiel au régime fluvial, il y a création d’un ressaut qui est générateur d’affouillements, et peut mettre en péril la stabilité de l’ouvrage. Cela montre l’importance de connaître la nature du régime d’écoulement résultant de l’ensemble thalweg amont - ouvrage hydraulique - thalweg aval. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 107 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 108 54 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 109 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 110 55 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 111 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 112 56 La hauteur critique yc ne dépend, ni de la pente, ni de la rugosité du canal. Elle ne dépend que de la forme du canal et du débit Q à évacuer. Donc pour un débit donné Q, yc est déterminée tandis que yn dans l’ouvrage varie avec la pente I, on peut pour ce débit déterminer une pente critique Ic pour laquelle la profondeur normale yn ( ) Q = K × Rh2/ 3 × I 1/2 × S est égale à la profondeur critique yc ( ) Q 2 L = gS 3 D’où : Assainissement routier Ic = g S critique K 2 Rh 4 / 3 L Document réalisé par B. KERLOC'H 113 On peut donc affirmer que le débit capable d’un ouvrage n’est plus fonction de sa pente dès que celle-ci est supérieure à la pente critique. Un ouvrage ne peut débiter plus qu’il ne peut absorber. Le « débit capable » réel reste constant dès que l’on a atteint la pente critique. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 114 57 Les différents régimes d’écoulement Plusieurs cas de figures peuvent se présenter : - Régime fluvial dans le cours d’eau - Régime torrentiel dans le cours d’eau Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 115 Régime fluvial dans le cours d’eau Cas 1 : régime fluvial dans l’ouvrage yn > yc La ligne d’eau dépend des conditions aval V2 -sous-cas 1.1 : haval < yc H 2 = h1 + (1 + Ke) 2g Régime fluvial aval Régime fluvial dans l'ouvrage h2 ha yc yn H2 h1 1 2 On compare alors H2 à la hauteur admissible et on modifie l’ouvrage le cas échéant. Cette surélévation des eaux est appelée remous d’exhaussement et la ligne d’eau est la ligne de remous. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 116 58 -sous-cas 1.2 : haval > yc - si haval est supérieure à la génératrice supérieure de la buse, l’écoulement se fait en charge et il faut modifier l’ouvrage. - suivant que haval est supérieure ou non à yn, on aura des lignes d’eau différentes : V2 ( ) H 2 = h 1 + 1 + Ke si ha 1 < yn ligne d’eau 1 avec 2g H 2 = ha 2 + (1 + Ke ) si ha 2 > yn ligne d’eau 2 avec V2 2g F Ouvrage en Régime Fluvial avec Réaction Aval si ha > yn 2 2 1 ha2 ha1 Assainissement routier yc yn Document réalisé par B. KERLOC'H h1 117 Cas 2 : régime critique dans l’ouvrage yn = yc Nous sommes en présence d’un régime critique instable, ce cas de figure est à éviter à priori. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 118 59 Cas 3 : régime torrentiel dans l’ouvrage yn < yc La ligne d’eau dans la buse dépend des conditions amont. Régime Aval Fluvial ha h2 Ressaut yn H2 h1 yc Dans ce cas de figure, il se forme un ressaut qui est à éviter. Ce phénomène est observé lorsqu‘une partie tranquille succède à une partie torrentielle. On augmentera l’ouverture ou on diminuera la pente de l’ouvrage afin d’obtenir un régime fluvial dans l’ouvrage. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 119 Régime torrentiel dans le cours d’eau Cas 1 : régime torrentiel dans l’ouvrage yn < yc La ligne d’eau dépend des conditions amont Ouvrage en Régime Torrentiel Régime Aval Torrentiel h2 ha yn yc H2 h1 1 2 Le calcul de H2 est inchangé mais on prendra pour hauteur d’eau dans la buse h1 = yc d’où la charge à l’amont. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 120 60 Cas 2 : régime fluvial dans l’ouvrage yn < yc Ce cas de figure est à proscrire, il se forme un ressaut à l’entrée de l’ouvrage qui en se dissipant risque de détruire notre ouvrage routier. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 121 Choix du coefficient d’entonnement Les pertes de charge par rugosité sont négligées pour les ouvrages courts (Longeur < 30 m) dans les calculs par rapport à la perte de charge singulière due à l’entonnement qui s ‘écrit : V 2 p.d . c. = K e 2g Le coefficient de forme Ke varie selon le type de l’entrée de l’eau dans l’ouvrage. On peut prendre les valeurs dans le tableau suivant : TYPE DE L’ ENTREE Extrémité en saillie (schéma1) Extrémité taillée en sifflet (schéma 2) Extrémité avec mur de tête et murs en aile (schéma 3) Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H Ke 0,9 0,7 0,5 122 61 Ke = 0,9 Ke = 0,7 Schém a 2 - Extrémité taillée en sifflet S ch ém a 1 - E x trém ité en sa illie Mur en re to u r Ke = 0,5 R a d ie r fa c u lta tif M u r p a ra fo u ille fa c u lta tif Schéma 3 - Extrémité avec mur de tête et murs en aile Ces coefficients de forme Ke repris ci-dessus ne tiennent pas compte d’un rétrécissement parfois important de l’écoulement dû au remblai routier et à l’ouvrage . Aussi pour ces cas de figures plus complexes, on peut utiliser la formule de BRADLEY. En effet, Ke peut atteindre des valeurs beaucoup plus élevées ( de 2 à 3 ). Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 123 Méthode de calcul : 1 - Nature de l’écoulement dans le fossé aval par comparaison de hn et hc. Si l’écoulement aval est fluvial conserver un régime fluvial dans l’ouvrage. 2 - Choisir un ouvrage : pente et dimension Cela dépend des contraintes propres au projet. 3 - Vérifier la nature de l’écoulement dans l’ouvrage. Éventuellement modifier le choix Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 124 62 Méthode de calcul : 3 - Vérifier la nature de l’écoulement dans l’ouvrage. Eventuellement modifier le choix 4 - Calculer la section mouillée 5 - Calcul de la vitesse: Vérifier V < 4 m/s. 6 - Calcul de la hauteur amont Ham = y + (1 + ke) V² 2g Vérifier que la hauteur amont est acceptable vis à vis des contraintes du projet. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 125 LES BASSINS DE RETENUE Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 126 63 HISTORIQUE • Atteintes des limites de l’assainissement classique Gestion de débits plus importants Augmentation des diamètres des canalisations Développement de l’urbanisation • Conséquences de l’assainissement classique Inondation Pollution Nappes non alimentées Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 127 Définition Les bassins de retenue sont des ouvrages destinés à régulariser les débits reçus de l’amont afin de restituer à l’aval un débit compatible avec la capacité de l’exutoire. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 128 64 Principes de fonctionnement Au niveau des principes, ces ouvrages sont à considérer selon trois fonctions : -écrêtement des pointes d’orage -rétention temporaire destinée à maîtriser les débordements -restitution des volumes stockés à faible débit Variation de débits en l /s Debit de pointe Ecrétement de l’hydrogramme Débit de vidange Restitution dans le temps Temps en heure Schéma du mécanisme de la retenue Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 129 DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE : Les modèles mod les globaux • Méthode des pluies et méthode des volumes : Ces méthodes, conseillées par l'Instruction technique de 1977, ont pour objectif de permettre de dimensionner facilement les volumes des ouvrages de stockage. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 130 65 Le coefficient d’apport d apport Le coefficient d’apport Ca permet de calculer le volume d’ouvrages de stockage. Il indique la fraction de la pluie tombée sur le bassin versant parvenant à l’exutoire. L’évaluation précise de Ca est délicate et doit tenir compte des conditions hydrogéologiques locales. Sa détermination reposera de préférence sur le rapport entre la mesure des volumes écoulés par l’émissaire et la mesure de volume de pluie brute. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 131 Le coefficient d’apport d apport • Détermination du coefficient d’apport : Ca = Vr / Vb avec : Vb : volume de pluie brute sur l'unité hydrologique Vr : volume de ruissellement récupéré à l'exutoire de l'unité hydrologique au cours d'un épisode pluvieux Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 132 66 Le coefficient d’apport d apport Dès lors que le bassin est hétérogène et contient des zones naturelles son évaluation est délicate. A défaut d’étude spécifique : – On peut considérer pour un bassin versant routier que Ca est équivalent au coefficient de ruissellement pondéré de la plate-forme routière. – Pour la reprise d’un bassin versant naturel, la détermination du Ca peut être évaluer par l’utilisation d’un nomogramme ( cf ci-après). Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 133 Le coefficient d’apport d apport Autre exemple d’évaluation du coefficient d’apport (Ca) pour des bassins versants naturels (2) Sols plutôt imperméables C iSi Ca= ∑ S 0.7 0.6 0.5 0.4 (1) 0.3 (2) 0.2 'apport (1) Sols imperméables Formule de pondération des coefficients 0.8 Valeurs approchées des coefficients d •Pour l’ utilisation du nomogramme, on divise le bassin en éléments homogènes auxquels on affecte des Ca en fonction de la nature géologique des sols et du pourcentage de couverture végétale 0.9 (3) (3) Sols plutôt perméables (4) Sols perméables 0.1 (4) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pourcentage de couverture végétale Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 134 67 Méthode thode des pluies Hypothèses : - débit de fuite de l'ouvrage de stockage constant transfert instantané de la pluie à l'ouvrage de retenue (méthode applicable que pour des bassins versants relativement petits : quelques dizaines d’hectares, et ne contenant aucun ouvrage de stockage et de régulation existant) - événements pluvieux indépendants Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 135 Méthode thode des pluies Application de la méthode des pluies : 1. Etablissement de la courbe « hauteur - durée - fréquence » locale pour la période de retour choisie avec la formule de Montana : h (k.∆t,T) = im(k.∆t,T) × k.∆t = a × (k.∆t)(1-b) h (k.∆t,T) : Hauteur d’eau en mm k.∆t : intervalle de temps en minutes de pluie (∆ ∆t est le pas de mesure) im: intensités moyennes maximales de pluie a et b : coefficients de montana (a et b > 0) T : Période de retour de la pluie Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 136 68 Méthode thode des pluies Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 137 Méthode thode des pluies hauteur précipitée T=10 ans T=5 ans T=2 ans d Courbe Hauteur-durée-fréquence Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 138 69 Méthode thode des pluies 2. Etablissement de la courbe de la hauteur d’eau vidangée cumulée en fonction du temps à partir du débit de fuite Qs supposé constant avec : q s = 360 Qs Sa avec : qs : débit spécifique en mm/h Qs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/s Sa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en ha Sa = Ca . S avec : S : surface totale du bassin versant drainé Ca : coefficient d'apport Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 139 Méthode thode des pluies La hauteur d'eau évacuée par le système de vidange du bassin s'écrit : H (k.∆t) = qs × (k.∆t) hauteur d'eau évacuée q s .k. ∆t h (k.∆ t ,T) hmax (qs ,T) courbe de la hauteur d’eau évacuée cumulée H(k. ∆t) k. ∆ t Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 140 70 Méthode thode des pluies 3. Détermination de la plus grande valeur de ∆hmax (différence maximale entre la hauteur vidangée et la hauteur précipitée) hauteur d'eau évacuée q s .k. ∆t h (k.∆t ,T) hmax (qs ,T) k. ∆t Superposition de la courbe Hauteur-durée pour une fréquence choisie et de la courbe de la hauteur d ’eau vidangée cumulée Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 141 Méthode thode des pluies 4. Calcul du volume utile de stockage V en m3 V = 10 × ∆hmax × S a avec : V : volume d'eau à stocker en m3 ∆hmax : hauteur totale à stocker en mm Sa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en ha Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 142 71 Méthode thode des pluies Application de la méthode des pluies : Méthode numérique Calcul de tmax : ( d(h(t ) - qs .t ) =0 dt t max d’où ) qs = a(1- b) b 60000 × Qs t max = Sa × a × (1 − b) donc a(1 - b )t -b - qs = 0 d a.t1-b - qs .t =0 dt − 1 −1 b avec : tmax : temps de remplissage du bassin en minutes Qs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/s Sa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en m2 a et b : coefficients de montana (a et b > 0) pour une intensité de pluie i exprimée en mm/min. Remarque importante : Le temps de remplissage doit être dans l’intervalle de validité des coefficients de Montana utilisés. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 143 Méthode thode des pluies Calcul de ∆hmax : ∆Hmax = H(t max ) − qs .t max ( ) ∆ Hmax = a × t max - q s × t max -b D’où le volume d'eau à stocker en m3 : ( ) V = a × t max - q s × t max × S a × 10 Soit : V = S a × -b a × t1−b − 60 × Q s × t max 1000 avec : tmax : temps de remplissage du bassin en minutes Qs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/s Sa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en m2 a et b : coefficients de montana (a et b > 0) pour une intensité de pluie i exprimée en mm/min. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 144 72 Méthode thode des volumes Hypothèses : - le débit de fuite de l'ouvrage de stockage constant - transfert instantané de la pluie à l'ouvrage de retenue Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 145 Méthode thode des volumes Application de la méthode des volumes : 1. Etablissement de la courbe des hauteurs cumulées sur la durée d'analyse hauteurs cumulées Episode j Episode 2 Episode 1 h i j (q s ) Année i qs Assainissement routier temps Document réalisé par B. KERLOC'H 146 73 Méthode thode des volumes Réalisation d’un classement fréquentiel de ces valeurs maximales ∆hmax Ti = r−α N+β avec : α et β : coefficients empiriques. r : rang de l’événement Ti : période de retour empirique de l'événement N : nombre d’années d’observation Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 147 Méthode thode des volumes 2. Etablissement des courbes permettant la détermination de la hauteur spécifique h max ( q s ,T) T=10 ans T=5 ans T=2ans qs Courbes permettant la détermination de la hauteur spécifique Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 148 74 Méthode thode des volumes 3. Détermination du débit spécifique à partir du débit de fuite Qs supposé constant et de la surface active avec : q s = 360 Qs Sa avec : qs : débit spécifique en mm/h Qs : débit de fuite constant de l’ouvrage en m3/s Sa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en ha Sa = Ca . S avec : S : surface totale du bassin versant drainé Ca : coefficient d'apport Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 149 Méthode thode des volumes 4. Détermination de la capacité spécifique de stockage ∆hmax avec : h max ( q s ,T) ∆hmax T=10 ans en mm T=5 ans T=2ans qs en mm/h Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H qs 150 75 Méthode thode des volumes 5. Calcul du volume utile de stockage V en m3 V = 10 × ∆hmax × S a avec : V : volume d'eau à stocker en m3 ∆hmax : hauteur totale à stocker en mm Sa : surface active de ruissellement alimentant l'ouvrage de stockage en ha Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 151 Abaque Ab7 de l'Instruction technique de 1977 : Le guide conseille de ne plus utiliser cet abaque Ab7 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 152 76 LIMITES D’UTILISATION DE CES METHODES • La méthode des volumes ne définit que 3 régions pluviométriques et ne prend pas en compte la pluviométrie locale. • La méthode des pluies utilise des courbes enveloppes définies à partir de courbes IDF en fonction de données locales pluviométriques. • Ces méthodes sont applicables pour des surfaces de bassins versants de taille modeste < 200 à 300 ha. • La méthode des débits consiste à simuler les écoulements au travers de modèles mathématiques (logiciels de calcul) et n’a pas de contrainte de surface. Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 153 REGULATION DU DEBIT SORTANT Il existe deux possibilités : - par la mise en place d’un orifice calibré - par l’installation d’un régulateur de débit Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 154 77 DIMENSIONNEMENT D’UN ORIFICE CALIBRE Il s’agit d’un simple ajutage délivrant un débit de fuite en fonction d’une hauteur d’eau amont Formules utilisées : Qf = µ × S × 2gh d’où S= Qf µ 2 gh avec :Qf = débit de fuite en m3/s = coefficient de contraction égal à 0,6 à 0,8 S = Surface de l’orifice en m² µ h = hauteur moyenne de charge en m g = accélération de la pesanteur soit 9,81 m.s-2 Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 155 DIMENSIONNEMENT D’UN ORIFICE CALIBRE Le diamètre de l’orifice calibré est obtenu en utilisant les formules suivantes : S= avec π D2 4 d’où D= 4S π D : diamètre de l’orifice calibré en m S : surface de l’orifice calibré en m² Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 156 78 REGULATEUR DE DEBIT Il s’ agit d’un appareil couramment utilisé, permettant de contrôler le débit de fuite à une valeur constante. Il existe différents types de régulateurs : - La prise d’eau s’effectue en surface par un avaloir maintenu par des flotteurs - la régulation est réalisée par un obturateur à flotteur Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 157 remarques : Le régulateur de débit permet d’obtenir un débit de fuite constant dès le début de l’épisode pluvieux Par contre, pour un orifice calibré, le débit de fuite varie selon la charge d’eau dans le bassin. Pour tenir compte de ce problème, on majore le volume utile. V = Vu × 1,23 * • formule utilisable qu’en région I Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 158 79 PROFIL HYDRAULIQUE D’UN BASSIN DE RETENUE Regard de By pass muni de vannes Bassin de rétention Vanne d'obturation Cloison siphoide ( pollution accidentelle ) 0,3 m P = 1% P 1% fond de bassin Arrivée Ouverture Calibrée Bassin versant routier Zone de Sédimentation Assainissement routier 0,2 m Radier d'entrée Marnage arrivée du by pass Rejet Débit de fuite Document réalisé par B. KERLOC'H 159 Coupe type d’un orifice calibré Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 160 80 Régulateur gulateur de débit d bit à seuil flottant Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 161 Obturateur variable à flotteur Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 162 81 Obturateur variable à flotteur (vue en plan) Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 163 Bassin d’eaux pluviales autoroutier étanche par géomembrane, avec débit régulé par seuil flottant Assainissement routier Document réalisé par B. KERLOC'H 164 82