03-Assainissement Routier (Dimensionnement)

ASSAINISSEMENT ROUTIER

LE DIMENSIONNEMENT DES OUVRAGES D’ASSAINISSEMENT ROUTIER

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NOTIONS DE PLUVIOMETRIE

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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La pluie : la mesure

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Exemple sur la communauté urbaine du Grand Nancy

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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

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• Le radar --- incertitudes de mesure

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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

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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

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NOTIONS DE PLUVIOMETRIE CARTES DES PLUIES JOURNALIERES DECENNALES P10 (mm)

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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

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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

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25

30

35

40

45

50

55

60

Durée d’averses en minutes

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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

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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

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NOTIONS D’HYDRAULIQUE

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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LES BASSINS VERSANTS ROUTIERS

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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).

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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 =

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∑

Lj

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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

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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

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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

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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

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15

20 25 Hauteur d'eau (cm)

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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

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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

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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

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LES BASSINS VERSANTS NATURELS

DIR Assainissement routier

CETE Nord Picardie

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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 ) = 0,81 − 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

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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

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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 

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−0 , 23

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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.

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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

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30

METHODE CRUPEDIX Carte pour l’application du coefficient régional

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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

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β=1-α

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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

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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. -

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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

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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

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65

FORMATION ASSAINISSEMENT ROUTIER

RETABLISSEMENT DES ECOULEMENTS NATURELS

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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

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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

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34

LES REGIMES D’ÉCOULEMENT Les relations possibles entre les différents régimes d’écoulement apparaissent sur le schéma suivant:

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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41

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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

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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

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43

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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

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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.

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46

Les écoulements sont classés selon deux types: - les écoulements uniformes - les écoulements graduellement variés

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- 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

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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

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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

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48

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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

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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

=

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Q S

V2 = Cte charge2 gspécifique. Hs = y +

on obtient

Q2 Hs = y + 2 gS 2

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100

50

H

Q

Hs

=

e nt a t ns co

y2 Hc

L yc 45

y1 y1 yc

y2

Torrentiel Fluvial Assainissement routier

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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

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52

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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.

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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

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108

54

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110

55

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111

Assainissement routier

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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

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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

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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

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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

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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

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yc

yn

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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LES BASSINS DE RETENUE

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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68

Méthode thode des pluies

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137

Méthode thode des pluies hauteur précipitée T=10 ans T=5 ans T=2 ans

d Courbe Hauteur-durée-fréquence Assainissement routier

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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151

Abaque Ab7 de l'Instruction technique de 1977 :

Le guide conseille de ne plus utiliser cet abaque Ab7

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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0,2 m

Radier d'entrée

Marnage

arrivée du by pass

Rejet

Débit de fuite

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159

Coupe type d’un orifice calibré

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160

80

Régulateur gulateur de débit d bit à seuil flottant

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161

Obturateur variable à flotteur

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162

81

Obturateur variable à flotteur (vue en plan)

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163

Bassin d’eaux pluviales autoroutier étanche par géomembrane, avec débit régulé par seuil flottant

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82