Remplir le barrage

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Contexte

Les barrages sont parmi les plus anciennes structures construites par l'homme pour un usage collectif. Un barrage est une barrière construite en travers d'une rivière ou d'un ruisseau afin que l'eau puisse être retenue ou retenue pour fournir de l'eau potable ou d'irrigation, contrôler les inondations et produire de l'électricité. Les principaux types de barrages sont le remblai en terre, le remblai en enrochement, la gravité en béton, la voûte en béton et la gravité en voûte. Les trois derniers types sont tous en béton, en béton armé ou en maçonnerie. (Le terme maçonnerie peut signifier du béton, des briques ou des blocs de roche excavée.) Les barrages en remblai comprennent tous les barrages constitués de matériaux de terre (sol et roche) compactés ensemble. Un type de barrage en remblai appelé barrage à résidus est construit à partir de déchets fins résultant du traitement de la roche pendant l'exploitation minière; sur les sites miniers, ces déchets semblables à du sol sont compactés pour former un remblai qui retient l'eau pour les processus d'extraction et de broyage ou pour retenir les résidus eux-mêmes dans l'eau.

Parmi les principales catégories de barrages énumérées ci-dessus, tous ont été construits depuis l'Antiquité, bien que de nombreux raffinements aient été développés aux XIXe et XXe siècles avec une technologie d'ingénierie améliorée. Les barrages qui fuient n'ont pas fait leur travail, soit parce qu'ils ne peuvent tout simplement pas retenir l'eau, soit parce que l'eau qui s'y infiltre ronge les matériaux de l'intérieur du barrage, provoquant sa défaillance structurelle. À l'époque moderne, la plupart des barrages en remblai sont également construits avec des zones comprenant un centre ou un noyau d'argile, des couches filtrantes et drainantes, des matériaux plus grossiers prenant en sandwich le noyau d'argile et de la roche sur la face amont (eau) pour empêcher l'érosion. Ces zones sont clairement visibles lorsqu'une section transversale est coupée de l'amont vers l'aval du barrage. Tous les barrages en remblai dépendent du poids pour rester stables.

Les remblais en remblai sont généralement moins coûteux à construire que les barrages en béton. De la terre ou de la roche sont présentes sur le site, et les techniques de construction, bien que complexes, sont également moins coûteuses que pour la construction en béton. Pour ces raisons de matériaux disponibles, de faible coût et de stabilité avec la masse, les barrages en remblai sont souvent construits sur de larges cours d'eau. Ils sont également plus flexibles que les structures en béton et peuvent se déformer sans nécessairement se rompre si les matériaux de fondation sous le barrage se compressent avec le poids du barrage et de l'eau.

Historique

Tout naturellement, les premiers constructeurs de barrages ont commencé par utiliser des matériaux abondants comme le sable, le bois, les broussailles et le gravier. Leur méthode de construction consistait à transporter les matériaux par panier et à vider le remblai sans serrer, de sorte que bon nombre de ces barrages n'ont peut-être survécu que quelques années. Les scientifiques n'ont pas été en mesure de déterminer les dates de la construction des premiers barrages, mais ils savent que des barrages étaient nécessaires là où la nourriture était cultivée et dans les zones sujettes aux inondations.

La conception des barrages en remblai est basée sur l'expérience ; bien que les échecs soient malheureux et parfois catastrophiques, ils sont aussi les meilleurs enseignants, et de nombreuses avancées techniques ont été fondées sur une étude minutieuse des échecs antérieurs. Les ingénieurs de l'Inde ancienne et du Sri Lanka étaient les pionniers les plus réussis de la conception et de la construction de barrages en remblai, et des vestiges de barrages en terre sont encore visibles dans les deux pays. Au Sri Lanka, de longs remblais appelés réservoirs ont été construits pour stocker l'eau d'irrigation. Le réservoir de Kalabalala mesurait 60 km de long autour de son périmètre.

Le barrage en terre le plus célèbre récemment construit est le haut barrage d'Assouan qui a été construit sur le Nil en Égypte en 1970-1980. Un barrage en terre a également été victime d'une rupture spectaculaire en juin 1976 lorsque le barrage de Teton dans l'Idaho s'est érodé de l'intérieur en raison d'une conception incorrecte des zones à l'intérieur du barrage qui a permis l'infiltration, la rupture et l'inondation de la vallée en aval. Bien que les barrages en terre aient tendance à être courts et larges, le barrage de Nurek au Tadjikistan a une hauteur de 984 pieds (300 m).

Matières premières

Les matériaux utilisés pour construire les barrages en remblai comprennent le sol et la roche. Le sol est classé par taille de particule à partir des plus petites particules submicroscopiques appelées argile; le limon, qui est aussi très fin; sable allant de fin à grossier, où les grains fins sont les plus petites particules de sol que nos yeux peuvent voir ; et du gravier. Des fragments plus grossiers appelés galets et rochers sont également utilisés dans la construction de barrages, mais généralement comme couches extérieures protectrices.

Des types de sols et des gammes de tailles spécifiques sont nécessaires pour construire les zones à l'intérieur du barrage, et les explorations de la zone de fondation du barrage, du réservoir où l'eau sera stockée et des zones environnantes sont effectuées non seulement pour la conception du barrage, mais pour localiser les matériaux de construction. . Les coûts de construction du remblai augmentent considérablement avec la distance à laquelle les matériaux sont transportés. Des échantillons de matériaux de construction potentiels sont testés dans un laboratoire de sol pour la taille des grains, la teneur en humidité, la densité sèche (poids), la plasticité et la perméabilité. L'argile est non seulement de très petite taille, mais possède des caractéristiques chimiques qui la font coller. La combinaison de la taille fine et du comportement plastique rend également l'argile moins perméable à l'eau. Si de l'argile est disponible à proximité du site, le barrage peut être construit avec un noyau ou une zone centrale imperméable qui empêche l'eau de traverser le barrage ; sinon, le barrage doit être conçu de manière à ce que l'eau puisse s'infiltrer lentement et en toute sécurité à travers une combinaison différente de matériaux dans ses zones.

L'eau est aussi une matière première. Les différents types de sols ont des caractéristiques de compactage qui peuvent être déterminées en laboratoire et utilisées lors de la construction. Le sol peut être compacté à sa meilleure densité fonctionnelle en ajoutant de l'humidité, du poids et de l'impact, appelé effort de compactage. De gros rouleaux vibrants pressent de fines couches de terre en place après avoir ajouté une quantité optimale d'eau. L'eau et le poids lient les particules de sol ensemble et forcent les particules plus petites dans les espaces entre les particules plus grosses afin que les vides soient éliminés ou rendus aussi petits que possible pour limiter les infiltrations.

De plus en plus, les barrages en remblai comprennent également des géotextiles et des géomembranes. Les géotextiles sont des tissus non tissés solides et résistants à la perforation. Ils peuvent être placés entre les ascenseurs lorsque le barrage est élevé pour renforcer les matériaux faibles. Ils sont également utilisés comme tissus filtrants pour envelopper les roches drainantes plus grossières et limiter la migration des sols fins dans le matériau de drainage. Les géomembranes sont faites de plastique polyéthylène haute densité (PEHD) et sont imperméables. Ils peuvent être utilisés pour le revêtement de la face amont d'un barrage en remblai ou même pour le revêtement de l'ensemble du réservoir.

Faisabilité et
Conception préliminaire

Un besoin spécifique pour un barrage, qu'il s'agisse d'approvisionnement en eau, de stockage de résidus ou d'autres matériaux, ou de contrôle des inondations, stimule le processus de conception et de construction d'un barrage en remblai. Le besoin et l'emplacement étant généralement étroitement liés, plusieurs sites peuvent être envisagés. Au cours des études de faisabilité, les ingénieurs identifient ces sites, effectuent des comparaisons préliminaires de coûts, décident d'une conception probable et choisissent le meilleur site pour l'exploration. La faisabilité fait certainement référence au coût de construction du barrage, mais elle inclut également les aspects techniques pratiques de l'adéquation du site, de la conception, de la construction, de l'entretien et de la sécurité à long terme.

Après avoir choisi un site réalisable, une conception préliminaire du barrage est élaborée. L'emplacement du barrage est superposé sur une carte topographique de sorte que les dimensions du sommet du barrage par rapport aux sommets des collines adjacentes et le niveau d'eau proposé peuvent être indiqués ainsi que l'étendue de la base du barrage dans le cours d'eau canaliser. L'élévation du niveau d'eau proposée montre l'étendue du réservoir et détermine, ainsi que la forme du bassin, la quantité d'eau que le réservoir contiendra. Les quantités d'eau stockées et les matériaux utilisés dans la construction du barrage aident à déterminer la valeur du projet et ses coûts. Parfois, plusieurs itérations de sélection de site, de préconception et d'estimation des coûts sont nécessaires. Idéalement, la zone de fondation sous le barrage ne nécessitera pas beaucoup d'excavation ou de jointoiement pour empêcher les infiltrations, et les matériaux à l'intérieur de la zone du réservoir peuvent être excavés et utilisés pour construire le barrage afin que plus de stockage du réservoir soit gagné en même temps que le sol ou la roche sont excavés pour construire le remblai.

Lorsque le site optimal est choisi sur papier, un programme d'exploration est élaboré et exécuté. Au cours de l'exploration, des forages d'essai sont forés le long de la ligne de l'axe du barrage sur toute sa largeur proposée, le long ou à proximité des pieds amont et aval proposés du barrage, sur le site de l'évacuateur de crues proposé et dans la zone du réservoir. Les forages sont creusés profondément dans la fondation pour évaluer ses propriétés de résistance et de perméabilité (potentiel d'infiltration). Comme les forages sont forés à travers le sol sus-jacent, il est également échantillonné et testé en laboratoire afin qu'il puisse être évalué comme matériau de construction de barrage potentiel. Des tests de perméabilité sur le terrain sont également effectués sur le site du barrage et dans la zone du réservoir. S'il s'agit de la source des matériaux de construction, des sondages sont également creusés dans la zone du réservoir afin que le volume de sol disponible (et les coûts associés) puisse être estimé.

Conception

Une fois l'exploration sur le terrain et les tests en laboratoire terminés, l'équipe d'ingénierie commence la conception finale du barrage sur la base des hypothèses préliminaires, des découvertes sur le terrain et de tout changement de conception ou d'économie basé sur les découvertes sur le terrain. Lors de la conception d'un barrage en remblai, les ingénieurs tiennent compte de cinq considérations essentielles :la masse du barrage qui le rendra stable ; conception d'un noyau et d'autres zones intérieures pour empêcher les infiltrations à travers le barrage ; conception d'un mur de coupure ou autre prévention des infiltrations sous le barrage ; protection contre l'érosion sur la face amont; et économique.

Les barrages de remplissage ont généralement la forme de triangles avec le sommet ou la pointe au sommet ou à la crête du barrage et la large base sur le fond du chenal du ruisseau. La largeur de la base en section transversale fournit un frottement pour empêcher le glissement, et la masse totale du barrage le rend suffisamment solide pour résister au poids de l'eau derrière lui. La zone de fondation est nettoyée du sol mou, perméable et compressible ; et un mur coupé est coupé en roche ou en sol ferme. Le mur de coupure peut être construit en palplanches d'acier ou en béton, mais, pour la plupart des barrages en remblai construits depuis 1960 environ, le mur de coupure est simplement une extension du noyau d'argile. Lorsque la roche ou le sol de fondation contient des vides ou des fractures, une série de trous peut être percée dans la fondation et du coulis de béton est injecté dans les trous pour sceller les fractures et aider à arrêter les infiltrations.

Les zones d'un barrage en remblai peuvent être constituées d'un certain nombre de couches distinctes partant du centre du barrage et se déplaçant vers l'amont vers l'eau et d'un ensemble différent de couches partant du centre se déplaçant vers l'aval. Les matériaux des zones sont sélectionnés pour leurs propriétés de résistance et leurs caractéristiques de perméabilité, et le placement d'une zone à côté d'une autre est soigneusement régi par des ensembles de calculs basés sur ces propriétés. Des zones de filtrage et de drainage sont incluses afin que toute eau réussissant à atteindre l'intérieur du barrage soit canalisée autour du noyau et ressorte à travers les couches de drainage à la base du barrage.

Le parement amont (eau) du barrage est parfois protégé par une dalle de béton ou un parement d'asphalte. Plus communément, des pierres de la taille de galets et de rochers sont placées sur cette face près de la surface de l'eau; ce parement est appelé enrochement et empêche l'action des vagues à la surface de l'eau d'éroder les matériaux de construction du barrage. D'autres installations pour contrôler le niveau d'eau et tout mouvement d'eau à travers ou au-dessus du barrage, comme un déversoir d'urgence, sont également conçues spécifiquement pour l'emplacement du barrage, les utilisations, le type et les matériaux de construction, et les entrées d'eau dans le réservoir.

Les aspects économiques de la construction de barrages sont pris en compte tout au long du processus de conception. Les matériaux de construction doivent être disponibles sur le site ou à proximité. La roche peut être placée à des angles plus raides que le sol, et elle pèse plus; ainsi, un barrage construit principalement en roche peut avoir une section de conception plus petite. Cependant, l'excavation et le déplacement de la roche peuvent être plus coûteux que le sol, de sorte que les ingénieurs de conception doivent tenir compte des facteurs de coût. D'autres matériaux comme l'asphalte, le béton, l'acier et le ciment pour le jointoiement sont également coûteux. Le juste équilibre entre sécurité et économie doit être déterminé par les ingénieurs. Les gros engins de terrassement ont rendu la construction de barrages zonés en remblai plus Coupe transversale d'un barrage en remblai typique. économique que la construction de barrages en béton sur de nombreux sites.

Le processus de construction

1. Les barrages en remblai sont construits pendant la saison sèche, lorsque les niveaux d'eau dans la rivière ou le ruisseau sont plus bas, les précipitations sur les sources de matériaux de remblai sont moins probables et les conditions sont meilleures pour l'utilisation de gros engins de construction. Avant que la construction ne commence réellement, le site est arpenté pour localiser l'alignement du barrage sur le sol existant, les zones qui seront excavées et les zones d'emprunt ou les sources pour le sol ou la roche utilisé dans la construction. Des installations de gestion de la construction sont mises en place ; généralement, le directeur de la construction (un ingénieur de terrain avec des années d'expérience similaire) travaillera sur une remorque sur place. Selon le site, il peut être nécessaire d'installer des instruments pour surveiller les effets de la construction de barrages sur les collines adjacentes ou d'autres éléments et pour mesurer les niveaux d'eau souterraine tout au long de la construction dans les fondations et les environs. Et, bien sûr, le débit du cours d'eau qui est barré à travers le site doit être arrêté. Cela peut être fait par diverses méthodes, notamment en détournant le cours d'eau, peut-être pour s'écouler dans un canal voisin, ou en l'arrêtant en amont avec un barrage ou un batardeau temporaire.
2. Avant le début de la construction du barrage, la zone de fondation doit être préparée. Dans de rares cas, les barrages peuvent être construits directement sur les matériaux existants dans le fond du canal ; sur la plupart des sites, ces matériaux sont compressibles (et entraîneraient un tassement irrégulier du barrage) et perméables (permettant à l'eau de passer sous le barrage). La zone de fondation comprend également les culées, qui sont les versants formant les deux extrémités du barrage. Le sol et la roche tendre ou très fracturée sont excavés, triés par type et stockés pour une utilisation ultérieure dans la construction de barrages. La surface du substrat rocheux de la fondation est nettoyée à un degré surprenant ; il est balayé et arrosé avec de l'eau afin que tous les vides ou irrégularités soient visibles et nettoyés de la terre molle. La fondation est soigneusement inspectée avant tout travail de construction; des forages exploratoires supplémentaires peuvent être effectués s'il y a des questions sur l'état de la fondation. Si la roche est fracturée ou contient des vides ou des trous, ceux-ci sont scellés avec du coulis de ciment qui est injecté à travers des trous de forage de petit diamètre dans un processus appelé travail dentaire.
3. La base du barrage doit s'enfoncer dans le sol avant de s'élever au-dessus. Une tranchée qui fait toute la largeur du barrage (à travers le canal) est taillée dans la roche ferme. La tranchée est appelée rainure de clavette ou mur coupé et peut avoir plusieurs bancs ou encoches dans la roche. Il empêche le barrage de glisser le long d'une fondation lisse et crée également un chemin plus long pour que toute infiltration essaie de s'écouler sous le barrage. L'argile imperméable qui constituera le noyau du barrage est placée dans la rainure de clavette et compactée et surélevée, couche par couche, jusqu'à ce que le sommet de la rainure de clavette ou la base de la majorité de la fondation soit atteint.
4. Le sol de la rainure de clavette et toutes les zones du barrage sont surélevés au même niveau en même temps. Les rampes peuvent devoir être coupées Vue aérienne d'un barrage en remblai prévu. dans la zone de la rainure pour l'équipement de construction, puis ils doivent être construits jusqu'à la surface de travail de la partie supérieure du barrage. Dans la mesure du possible, les routes sont coupées des deux côtés (culées) du barrage pour un accès plus facile ; à terme, une route d'accès sera construite sur la crête du barrage et se prolongeant sur ces culées.

   Les grands engins de terrassement transportent le type de sol spécifique nécessaire pour élever la zone du barrage sur lequel ils travaillent. Le sol est étalé en couches minces, généralement de 15,2 à 20,3 cm (6 à 8 po) d'épaisseur, arrosé d'eau jusqu'à la bonne teneur en humidité et compacté avec des rouleaux en pied de mouton (rouleaux compacts avec des dents ressemblant à des sabots d'animaux montés en rangées autour du rouleau qui presser et faire vibrer le sol fermement en place). Si du gravier est utilisé dans la construction, un rouleau vibrant est utilisé pour faire vibrer les grains ensemble afin que leurs angles s'entremêlent et ne laissent aucune ouverture.

   Tout au long du processus de compactage, les inspecteurs approuvent le sol qui est transporté sur place et transporté vers la zone particulière du barrage. Ils rejettent les matériaux contaminés par des herbes, des racines, des déchets ou d'autres débris ; et ils rejettent également le sol qui ne semble pas avoir la granulométrie appropriée pour cette zone du barrage. Pour le contrôle de la qualité, des échantillons sont collectés et testés en laboratoire (pour les grands barrages, un laboratoire de sol sur site est installé dans une remorque de construction) pour une variété de tests de classification. Pendant ce temps, l'inspecteur utilise une jauge de densité nucléaire pour tester la densité et la teneur en humidité du sol lorsqu'il a été placé et compacté. La jauge de densité nucléaire utilise une très petite source radioactive pour émettre des particules radioactives dans le sol; les particules rebondissent sur une plaque détectrice et indiquent l'humidité et la densité du sol en place. Le procédé n'est pas nocif pour l'environnement ni pour l'opérateur (qui porte un badge pour surveiller l'exposition radioactive) et fournit des données sans avoir à fouiller et à échantillonner. Si les exigences de compactage ne sont pas remplies, cette couche de sol est excavée, replacée et recompactée jusqu'à ce que son humidité et sa densité soient appropriées.

   La construction du barrage en remblai se déroule couche par couche et zone par zone jusqu'à ce que la hauteur de chaque zone et, éventuellement, la crête du barrage soient atteintes. Si l'ensemble du barrage ne peut pas être construit en une seule saison de construction, le barrage est généralement conçu par phases ou par étapes. Terminer une étape de construction (ou l'ensemble du barrage) est souvent une course contre la montre, la météo et le budget du projet.

5. Certains barrages en terre ont des instruments installés en même temps que le placement du remblai, et les instruments sont construits à la surface en couches et en zones, tout comme le remblai. L'état du barrage est surveillé tout au long de sa durée de vie, comme l'exigent les lois fédérales, étatiques et locales et les normes de pratique de l'ingénierie. Les types d'instruments varient selon l'emplacement du barrage; presque tous les barrages ont des monuments de tassement qui sont arpentés pour mesurer tout tassement à la surface ou dans les zones du barrage, des indicateurs de pente pour montrer si les faces en pente à l'intérieur ou à la surface du barrage bougent, et des indicateurs de niveau d'eau pour surveiller l'eau niveau dans les zones du barrage. Les barrages dans les zones sismiquement actives peuvent également être équipés d'instruments pour mesurer les secousses du sol.
6. Les barrages en remblai peuvent avoir une variété d'autres installations, selon leur taille, leur utilisation et leur emplacement. Un déversoir d'urgence est requis à tous les barrages pour permettre aux eaux de crue de s'écouler par une voie d'évacuation, plutôt que par-dessus le barrage. D'autres déversoirs pour la production d'énergie hydroélectrique peuvent être conçus et construits au niveau des barrages de production d'électricité, et des tunnels d'entrée et de sortie sont nécessaires pour libérer l'eau pour l'irrigation et l'approvisionnement en eau potable au niveau des remblais construits à ces fins. Aux barrages en remblai, il est généralement souhaitable de placer ces autres installations dans des excavations à travers la roche de fondation ou de culée ; le processus de compactage de la terre contre les structures qui traversent réellement le remblai est délicat et permet des chemins d'infiltration.
7. Parfois, la zone du réservoir est également dégagée lorsqu'elle doit être remplie d'eau, en particulier si le bois peut être récolté. Il n'est pas nécessaire (et c'est beaucoup trop cher) de le débarrasser de tous les arbustes et herbes. Le processus de remplissage du réservoir est relativement lent, de sorte que la plupart des animaux sauvages se déplaceront à mesure que le niveau de l'eau augmente ; les zones préoccupantes comprennent les habitats d'espèces rares ou menacées, et la noyade de ces habitats a été une préoccupation dans la construction d'un certain nombre de barrages.

Lorsque le barrage est terminé, l'eau qui a été détournée du chenal du cours d'eau est autorisée à remplir le réservoir. Au fur et à mesure que l'eau monte, elle monte également dans certaines parties du barrage, et les instruments à l'intérieur du barrage sont surveillés attentivement pendant la période de remplissage du réservoir. Le suivi des performances du barrage, à la fois par des instruments et par simple observation, est effectué en routine; et des plans de sécurité sont déposés auprès des services d'urgence locaux afin que des changements soudains dans les lectures des instruments ou l'apparence du barrage ou de son réservoir déclenchent des actions d'alerte et d'évacuation des personnes vivant dans le trajet des eaux de crue en aval. Des réparations sont également effectuées régulièrement.

Contrôle qualité

Une ingénierie de qualité est essentielle dans la construction d'un barrage en remblai parce que les matériaux utilisés ont des propriétés de résistance inférieures à celles de l'acier et du béton requis pour les barrages en béton et parce que le placement détermine en fin de compte la résistance, le potentiel de problèmes comme l'infiltration et le tassement, et enfin la performance et la sécurité. L'ingénieur de projet géotechnique occupe le rôle clé de s'assurer que la conception et les matériaux de la terre correspondent pour faire un produit sûr ; mais de nombreux autres professionnels, y compris des géologues, des techniciens de la construction, d'autres ingénieurs et les représentants des agences de supervision, sont pleinement engagés dans le même but.

Sous-produits/Déchets

Il n'y a pas de sous-produits dans la construction de barrages en remblai, bien que du remblai soit parfois généré pour la construction de routes d'accès et d'autres structures de support. Les déchets sont également minimes voire inexistants ; l'excavation de l'excès de sol et en particulier de la roche est très coûteuse, tout comme le transport de ces matériaux, de sorte que les déchets sont exclus de la conception.

Le futur

Principalement en raison de préoccupations environnementales, la conception et la construction de tout barrage à l'avenir seront un processus très étudié et controversé. Les barrages en remblai, cependant, ont tendance à être perçus comme plus respectueux de l'environnement car ils sont faits de matériaux de terre et se fondent mieux dans le paysage que les structures monolithiques en béton. Les barrages en remblai se sont avérés des solutions utiles et moins coûteuses pour répondre aux besoins humains en approvisionnement en eau, et de vastes améliorations dans la technologie de l'ingénierie ont amélioré leur bilan de sécurité à la fin du XXe siècle. Bien que de nombreux coûts et programmes doivent être pris en compte dans la construction de barrages, les barrages en remblai ont été et continueront de se révéler des alliés dans les besoins de fourniture d'eau potable, d'approvisionnement en irrigation et de contrôle des inondations.