2ie_cours Sur Les Travaux Maritimes_novembre2013

COURS SUR LES TRAVAUX MARITIMES OBJECTIF DU COURS : •Ce cours porte sur les connaissances de base en matière de mouvements de la mer , d’infrastructures portuaires et de protection du littoral. Il introduit : -les connaissances de base en matière de marées et de houles, d’infrastructures portuaires et de protection du littoral. --Les concepts essentiels permettant de décrire la biosphère et divers écosystèmes littoraux afin de sensibiliser les élèves-ingénieurs sur l’impact de l’intervention humaine sur ces écosystèmes et leur permet d’en tenir compte dans des projets de construction 

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Cours sur les travaux maritimes (suite)  METHODE D'ENSEIGNEMENT:  Cours magistral: Présentation de la théorie avec des observations et des illustrations, 

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 

Contrôle des connaissances à la fin du cours BIBLIOGRAPHIE : 1) Hydraulique Maritime: René Bonnefille; 2) Shore Protection Manual : U.S. ARMY, Coastal Engineering Research Center (CERC), publié par « U.S. governement Printing Office. » 3) Cours de travaux maritimes : Jean Chapon, Edition Eyrolles 4) MAREES: Gilles BESSERO, Service Hydrographique et Océanographique de la Marine 2

Cours sur les travaux maritimes (suite)

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Nouvelle Lune : Les 3 astres sont alignés (syzygie) Soleil - Lune - Terre, les marées sont importantes. 15

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AMPLITUDE PHASE

Monrovia Canal de Vridi Takoradi Accra Tema Lomé Cotonou Lagos Bar Forcados Bonny Bar Rio del Rey (entrée)

Mortes-eaux

Moyenne

Vives-eaux

0,54 0,42 0,58 0,62 0,64 0,68 0,68 0,48 0,64 0,95 1,10

0,82 0,58 0,90 0,94 0,96 1,00 0,98 0,74 0,96 1,36 1,68

1,10 0,84 1,22 1,26 1,28 1,32 1,28 1,00 1,30 1,78 2,26

193° 140° 107° 107° 107° 108° 133° 135° 131° 129° 146°

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Cours sur les travaux maritimes Généralités sur la marée et la houle (suite) I.1.9 Prédictions de la marée: Pour prédire de manière précise la marée à un point quelconque et à un instant quelconque, la formule harmonique est la seule méthode à nos jours appropriée. Cependant dans les ports où la marée est de type semi diurne et régulière, la hauteur de la marée à un instant quelconque ainsi que des hauteurs de pleines et basses mers qui encadrent cet instant, peuvent être déduites, en assimilant la courbe à une sinusoïde. Des tables, des graphiques et des appareils mécaniques ont été imaginés en grand nombre pour résoudre ce problème simple. 27

Cours sur les travaux maritimes Généralités sur la marée et la houle (suite) Les navigateurs emploient souvent la règle dite « des douzièmes », dont les résultats sont comparables. Ainsi selon cette méthode, la mer monte de:  1/12 du marnage pendant le 1er sixième de la durée de la montée;  2/12 du marnage pendant le 2ème sixième de la durée de la montée;  3/12 du marnage pendant le 3ème sixième de la durée de la montée;  3/12 du marnage pendant le 4ème sixième de la durée de la montée;  2/12 du marnage pendant le 5ème sixième de la durée de la montée. 28

Cours sur les travaux maritimes Généralités sur la marée et la houle (suite)  1/12 du marnage pendant le sixième de la durée de la

montée. Elle descend selon la même logique.

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2.4 Déformation de la houle au cours de sa propagation: 1. Lorsque la houle se propage dans un milieu à profondeur variable, sa célérité varie (cf. houle infiniment petite), ainsi que son amplitude et sa longueur d’onde, la période restant constante? Si le fond varie de façon irrégulière, la célérité n’est plus la même tout le long du front de houle. Les crêtes se déforment en plan: On

dit que la houle réfracte.

2. Lorsque la houle est partiellement arrêtée par un ouvrage, elle

contourne celui-ci et des oscillations se manifestent derrière l’ouvrage: c’est

la diffraction.

elle se réfléchit partiellement sur celle-ci. La houle réfléchie, en se combinant à la houle incidente donne

3. Lorsque la houle aborde une paroi imperméable,

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naissance à des oscillations stationnaires appelées

CLAPOTIS. 4. Lorsque la cambrure de la houle augmente et dépasse une valeur limite, les vagues deviennent instables. La cambrure limite peut être atteinte sous l’effet soit du vent, soit de la diminution de profondeur qui augmente le creux et diminue la longueur d’onde. La vague est alors totalement ou partiellement détruite: c’est le

déferlement.

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Cours de travaux maritimes (suite) II.6 EXEMPLE DE CALCUL D’UN OUVRAGE DE PROTECTION DE LA COTE : DIGUE A TALUS Comme indiqué plus haut les épis de protection de la côte (ouvrage transversal) peuvent être constitués par des ouvrages en enrochements à talus. Ces ouvrages sont étudiés et dimensionnés pour protéger la côte de la houle maximale, c'est-à-dire même lors de tempêtes

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Cours de travaux maritimes (suite)  II.6.1 Les digues à talus  Ces digues arrêtent la houle par destruction

totale de son énergie.  a) Constitution  Les digues à talus sont des collines d’enrochements ou de blocs de béton soigneusement disposés ; elles sont, pour les ouvrages portuaires, quelquefois couronnées par une construction en béton plus ou moins monolithique qui repose sur la digue et empêche le franchissement de l'ouvrage par mauvais temps. Une digue est généralement constituée de trois parties : 93

Cours de travaux maritimes (suite)   

Un noyau en tout venant ou en géotubes; Des sous-couches en enrochements de diverses catégories et de divers types (naturels ou artificiels) ; Une carapace en gros enrochements ou en blocs de béton préfabriqués

 Les blocs naturels (les enrochements) dépassant

rarement 10 tonnes, il faut leur substituer souvent au niveau de la carapace des blocs en béton. Les formes de ces blocs sont diverses.  L'édifice est constitué d'un noyau fait de tout-venant. On ajoute ensuite plusieurs carapaces dont la granulométrie n'excède pas trop celle de la couche précédente afin d'éviter que les petits éléments ne pénètrent dans les vides de la couche supérieure. 94

Cours de travaux maritimes (suite)

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Cours de travaux maritimes (suite)  Le couronnement est fait soit de blocs

 

  

analogues à ceux de la carapace (dernière couche), soit de blocs préfabriqués de béton parfois profilés. b ) Calcul de la stabilité des digues à talus Pour calculer la stabilité de ce genre d'ouvrage, on applique la relation fondamentale de la dynamique. L'action dynamique de la houle s'écrit : où D est la dimension caractéristique des blocs. La vitesse V des particules d'eau est de l'ordre de où H est la hauteur des vagues. 96

Cours de travaux maritimes (suite)  

L'action dynamique de la houle s'écrit : La force statique de résistance des blocs est :



L'équilibre de l'ouvrage est donc donné par la relation :



soit .

 

avec densité d'un bloc par rapport à la densité de l'eau de mer, K coefficient sans dimension.

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Cours de travaux maritimes (suite)  Si l'on considère le poids des blocs P et leur masse volumique

,on a la relation :

 La relation de stabilité peut donc s’écrire .

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Cours de travaux maritimes (suite)  Le nombre F est un nombre adimensionnel

fonction de l'angle d'équilibre des talus, de la cambrure de la houle, de la profondeur relative du bloc, du coefficient de frottement interne du bloc, de l'incidence des vides, et du coefficient de forme des blocs.  On peut alors en déduire le poids des blocs nécessaire à l'équilibre de l'ouvrage en fonction de F. Plusieurs formules ont été développées pour déterminer le poids des blocs de la carapace dont celles d’Irribarren (1938), de Larras (1952) et de Hudson. 99

Cours de travaux maritimes (suite) 

Nous donnons ci-après l’expression de cette dernière formule qui est très utilisée pour le prédimensionnement des digues à talus



Formule de Hudson, qui pose .

      

Alors avec P en tonnes et H en mètres. La valeur de K dans cette formule dépend de la nature des blocs : blocs d'enrochement lisse K = 2.4 blocs d'enrochement rugueux K = 4.0 tétrapodes (vagues déferlantes) K = 8.5 tétrapodes (vagues non-déferlantes) K = 10.5 acropodes K = 12.

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Cours de travaux maritimes (suite)  On comprend également grâce à cette formule l'intérêt

des matériaux de forte densité. En effet,

décroît quand augmente.  On voit donc que pour des matériaux de forte densité, le poids nécessaire à l'équilibre est plus faible.  Enfin, plus la valeur de K est grande, moins l'édifice est stable. Pour K > 10, des dommages sont possibles sans ruine complète de l'ouvrage, mais les réparations sont indispensables.

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  

  

Cas du franchissement de l'ouvrage : Si un franchissement est possible, il faut alors recouvrir la partie arrière de l'ouvrage par des blocs de poids P jusqu'au niveau de l'eau et par des blocs de poids P/2 jusqu'à la profondeur h = H (hauteur des vagues). On peut également recalculer le poids des blocs en fonction de l'agitation que crée le franchissement à l'arrière de l'ouvrage. Le franchissement peut être évité : soit en disposant une superstructure résistant par son poids à la poussée du jet de la lame, soit en élargissant la berme de la crête de l'ouvrage ou en élevant la côte d'arase de l'ouvrage, soit en faisant déferler la houle en avant de l'ouvrage sur une risberme de longueur en général supérieure à 50 m, soit en disposant en haut de la carapace un bassin de déversement en forme de canal d'évacuation, soit latéralement, soit par des orifices ou par perméabilité dans les blocs de la carapace.

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Cours de travaux maritimes (suite) c) Dispositions types des enrochements naturels:

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Cours de travaux maritimes (suite)  Type a). – Les couches du corps de la digue (sauf la

carapace) sont constituées par des enrochements d’une même catégorie sur toute la largeur de la digue.  Le niveau le plus élevé de chaque couche est situé du côté du port ; on détermine pour chaque couche le niveau maximum qui permet d’assurer la stabilité pour des houles moyennes : cette hypothèse est en effet, valable en raison de la faible probabilité des fortes houles pendant la période de construction de chaque couche.  L’épaisseur des couches doit être égale à deux couches des plus gros matériaux employés en parement ; en outre, pour améliorer la tenue des talus extérieurs, il est nécessaire de ménager au pied de chaque couche une risberme d’au moins 3 mètres de largeur. 104

Cours de travaux maritimes (suite)  Type b). – Le talus extérieur de chaque couche est

recouvert sur toute sa hauteur par le talus de la couche de catégorie supérieure.  Cette disposition qui donne une plus grande sécurité est conseillée pour les mers dures, ou lorsque la profondeur au pied de la digue est insuffisante pour assurer la stabilité du type précédent avec une pente convenable.  Elle consomme cependant beaucoup de matériaux de catégories supérieures et donne des talus réfléchissants avec formation d’un clapotis partiel : cette augmentation par réflexion partielle de l’amplitude de la houle incidente aggrave les risques de franchissement de l’ouvrage, et nécessite une superstructure plus importante (1) 105

Cours de travaux maritimes (suite)  Type c). – Disposition mixte : on adopte

la première disposition (a) en partie basse et la seconde à la partie supérieure de l’infrastructure. C’est la disposition la plus courante des digues fondées en grande profondeur, comme par exemple la digue du Large à Marseille, au droit des anciens bassins.

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Cours de travaux maritimes (suite)  II.2 Les digues verticales  Ces ouvrages arrêtent la houle en la réfléchissant vers le

large.  II.2.a Stabilité  Le calcul de stabilité s'effectue à partir des pressions dues au clapotis. La répartition des pressions est supposée constante.  La sous-pression due au va-et-vient de l'eau dans les vides du massif de fondation vaut

 où h/L est la profondeur relative du bloc. 107

Cours de travaux maritimes (suite)  Le moment de stabilité du mur par rapport aux extrémités des

surfaces d'appui sur les fondations doit être le double du moment maximal de renversement. Les forces qui tendent à riper la jetée ou chacune de ses parties doivent être inférieures à la moitié du poids apparent de la partie susceptible de riper. Enfin, la pression maximale sur les fondations ne doit pas dépasser 3 à 4 bars.

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Cours de travaux maritimes (suite)  L'inconvénient des digues verticales

est la nécessité d'avoir une côte d'arase très élevée pour que l'ouvrage ne soit pas franchi.

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II.2.b Les digues mixtes Les digues mixtes sont un mélange de digues à talus et de digues verticales, c'est-à-dire une muraille (digue verticale) reposant sur un massif de fondation en enrochements (digue à talus). Il faut éviter le déferlement des vagues sur le mur. Pour cela, il faut qu'il descende à une profondeur au moins égale à 2.5 fois le creux sous le niveau le plus bas. J. LARRAS propose le dimensionnement suivant :

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hmin = ,

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h'min = ,

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P=

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e=,

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hauteur entre le talus et le niveau de la mer

hauteur de la muraille jusqu'au niveau de la mer

(en tonnes/mètres)

largeur de muraille.

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Cours de travaux maritimes (suite  La stabilité du massif d'enrochement des

digues mixtes soumis aux efforts verticaux dus à la présence de la digue, est assurée par des blocs posés à la base de la muraille et sur le sommet du talus. L'ensemble de ces blocs est appelé risberme.

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Cours de travaux maritimes (suite)  II.3 - Les brise-lames flottants  II.3.a Rôle  Un brise-lame flottant est un flotteur amarré de dimensions

assez grandes de façon à créer derrière lui une zone de calme. Ce genre d'ouvrage doit être mobile et peu cher.  Les brise-lames flottants servent donc à créer un abri derrière lequel on pourra effectuer des travaux de courte durée ou bien ancrer des bateaux de plaisance pendant l'été. Ils doivent transformer l'énergie potentielle de la houle, cette énergie étant la plus gênante pour les activités se trouvant à l'arrière.  Il faut donc éviter que l'énergie de la houle passe par-dessus. Ceci entraine la nécessité d'avoir des brise-lames de grandes dimensions. Ils sont malheureusement inefficaces pour les houles de grande période.

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Cours de travaux maritimes (suite)  II.3.b Efficacité  L'efficacité des brise-lames est caractérisée par le

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coefficient de transmission G, rapport entre les hauteurs de houle transmise et incidente de longueur d'onde L. Par exemple, on considère un rideau vertical maintenu en flottaison par 2 boudins. Si l'on considère une profondeur h, l'écartement b entre les deux boudins est b = 2h, et on a G = 0.3. De même, pour un ensemble de 2 pontons de section carrée avec b = 0.75h, on a G < 0.3. Pour calculer le dimensionnement de l'ouvrage, on considère que les mouvements du flotteur se réduisent au pilonnement (oscillations verticales), au cavalement (oscillations horizontales) et au roulis. 113

Cours de travaux maritimes (suite)  Chapitre III : AMENAGEMENTS PORTUAIRES  III.1 – Rôle des ports maritimes  Un port maritime peut être défini comme un ensemble

d’installations conçues et exploitées en vue d’assurer le transfert des marchandises entre le navire de mer et les différents moyens de transport terrestre comprenant non seulement le transport par le rail et la route mais également la navigation intérieure (transport fluvial), le transport par canalisation (oléoducs, etc.).  Les ports maritimes peuvent être implantés soit sur une cote, soit à l’intérieur des terres, sur un fleuve ou sur une vaste étendue d’eau naturelle.

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Cours de travaux maritimes (suite)  III.2 – Les principaux ouvrages portuaires  On distingue dans un port les ouvrages extérieurs, les

ouvrages intérieurs et les ouvrages de superstructure.  Les ouvrages extérieurs sont constitués par le chenal d’accès et les ouvrages de protection.  On désigne par ouvrages intérieurs les ouvrages d’accostage (les quais et autres installations d’accostage des navires).  Les ouvrages de superstructure sont constitués par les voies de circulation, les aires de stockage couvertes et non couvertes (magasins et terre-pleins).

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Cours de travaux maritimes (suite)  III.3 : Le chenal d’accès  Lorsqu’il arrive au voisinage du Port, le navire s’arrête

généralement pour attendre le pilote u l’autorisation d’entrer au port. Il s’immobilise sur son ancre. Cette opération s’appelle le « mouillage ».  Lorsque le navire peut rentrer au port, il quitte la zone de mouillage et aborde le chenal d’accès (on dit qu’il « engaine » le chenal d’accès du port). Après avoir passé le chenal le navire va être pris en charge par des remorqueurs (suivant la réglementation interne à chaque port) jusqu’à son poste d’accostage après avoir « évité » si nécessaire.  Le chenal d’accès est donc la voie de navigation des navires pour atteindre le bassin portuaire et les quais d’accostage. Les chenaux sont souvent naturels mais ils ont besoin d’être dragués et d’être entretenus pour sauvegarder aux navires les profondeurs nécessaires à leur manœuvre.

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Cours de travaux maritimes (suite)  Les principales caractéristiques d’un chenal d’accès  Les principales caractéristiques d’un chenal d’accès sont : sa 

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profondeur et sa largeur. La profondeur du chenal d’accès : pour calculer la profondeur à donner à un chenal d’accès, il faut tenir compte du tirant d’eau du navire de projet qui est généralement le navire le plus gros attendu dans le port, mais également du pied de pilote. On distingue le pied de pilote brut (PPB) et le pied de pilote net (PPN). Par définition le pied de pilote brut (PPB) est la marge réservée sous la quille du navire immobile en eau calme et à vitesse nulle. La valeur du pied de pilote brut généralement admise se situe entre 10 et 20% du tirant d’eau du navire. Le pied de pilote net est par définition la marge minimale qui subsiste sous la quille lorsque le navire se déplace à la vitesse de passage prévue et sous l’influence des conditions maximales prévues pour le vent et la houle. 117

Cours de travaux maritimes (suite)  L’AIPCN recommande de prendre une marge

de sécurité d’au moins 0,5 mètre entre le point le plus bas du navire et le fonds. Diverses études ont en effet prouvé que les navires restent manœuvrables avec un pied de pilote de cet ordre.  La largeur des chenaux d’accès est généralement prise égale à la longueur du plus grand navire pouvant fréquenter le Port.

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Cours de travaux maritimes (suite)  III.3 : les ouvrages de protection dans un port  Les ouvrages de protection ont pour rôle de protéger les

bassins portuaires des houles de large. Ils sont constitués généralement par une digue principale dont le tracé est déterminé par la direction de la houle. Elle a pour rôle d’absorber toute l’énergie de la houle et de permettre aux navires d’opérer dans un plan d’eau relativement calme. A la jetée principale est souvent associée une contre jetée dont le rôle est de protéger des houles qui pourraient venir de la direction opposée à celle de la houle dominante.  Les jetées sont constituées par des digues à talus ou des digues verticales. Les digues à talus sont généralement constitués d’enrochements naturel de carrière ou par des blocs artificiels normalisés. Les digues verticales peuvent être en caissons de béton armés ou en double rideaux de palplanches, etc.

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Cours de travaux maritimes (suite)  Le calcul de ces ouvrages tient essentiellement

compte des actions de la houle et des principes généraux de stabilité des ouvrages poids. Les digues verticales peuvent jouer à la fois le rôle d’ouvrage de protection et d’ouvrages d’accostage. Dans ce cas leur dimensionnement devra tenir compte des charges d’exploitation du quai et autres actions exercées par les navires qui y accostent.

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Cours de travaux maritimes (suite)  III.4 : Les ouvrages d’accostage  Les ouvrages d’accostage sont des structures séparant le

bassin portuaire de la zone de travail à terre (le bord à quai). Ils constituent les quais d’accostage des navires. Ils sont de manière générale constitués d‘ouvrages plans. Mais pour certains quais spécialisés (par exemple les quais pétroliers) d’autres systèmes d’accostage peuvent être utilisés.  Les ouvrages d’accostage plans peuvent être construits en palplanches métalliques, en paroi moulée, en blocs de béton, en caissons de béton, sur des pieux en béton ou des pieux creux en acier remplis de béton, etc.   Le calcul de ces ouvrages se base sur les principes de calcul

généralement admis pour les ouvrages de soutènement ou pour les ouvrages sur pieux.

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