Barrage en béton

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Contexte

Les barrages en béton sont construits en quatre formes de base. Le barrage poids en béton a le poids comme résistance. Une section transversale de ce barrage ressemble à un triangle, et la base large mesure environ les trois quarts de la hauteur du barrage. L'eau dans le réservoir en amont du barrage pousse horizontalement contre le barrage, et le poids du barrage-poids pousse vers le bas pour contrer la pression de l'eau. Le barrage contrefort en béton utilise également son poids pour résister à la force de l'eau. Cependant, il est plus étroit et possède des contreforts à la base ou au pied du barrage du côté aval. Ces contreforts peuvent être des murs étroits s'étendant à partir de la face du barrage, un peu comme les « arcs-boutants » soutenant les murs de la cathédrale ou un seul contrefort un peu comme un barrage court peut être construit le long de la largeur du pied du barrage.

Le barrage-voûte est l'un des ouvrages de génie civil les plus élégants. En coupe transversale, le barrage est étroit en largeur, mais, vu de dessus, il est incurvé de sorte que l'arche fait face à l'eau et que la cuvette de la courbe regarde vers l'aval. Cette conception utilise les propriétés du béton comme sa résistance. Le béton n'est pas fort en traction (quand il est tiré ou étiré), mais il est très fort en compression (quand il est poussé ou alourdi). Le barrage-voûte utilise le poids de l'eau derrière lui pour pousser contre le béton et fermer les joints; la force de l'eau fait partie de la conception du barrage. Le barrage-voûte-poids est une combinaison de type voûte et de type-poids, comme son nom l'indique ; c'est une forme d'arc plus large. Les barrages à voûtes multiples combinent la technologie des conceptions à voûtes et contreforts avec un certain nombre de voûtes simples soutenues par des contreforts.

Les barrages en béton sont plus souvent utilisés que les barrages en remblai pour produire de l'énergie hydroélectrique, car des vannes (également appelées écluses) ou d'autres types de structures de sortie peuvent être construites dans le béton pour permettre à l'eau de s'écouler du réservoir de manière contrôlée. Lorsque de l'eau pour l'électricité, l'eau potable ou l'irrigation est nécessaire en aval, les vannes peuvent être ouvertes pour libérer la quantité nécessaire sur une durée spécifiée. L'eau peut continuer à couler dans la rivière en aval afin que les poissons et autres animaux sauvages puissent survivre. Les barrages en béton et en remblai doivent tous deux avoir des déversoirs d'urgence afin que les eaux de crue puissent être déversées en toute sécurité en aval avant que l'eau ne s'écoule par-dessus ou sur la crête du barrage et ne l'érode potentiellement. Les déversoirs canalisent l'eau en aval et bien en dessous de la base ou du pied du barrage afin que le barrage et ses fondations ne soient pas érodés.

La plupart des barrages construits au XXe siècle et ceux en cours de conception aujourd'hui ont plusieurs objectifs. Plus de 40 000 barrages de plus de 45 pieds (15 m) et classés comme grands barrages existent, et plus de la moitié d'entre eux ont été construits depuis 1960. Parmi ces barrages, 16% d'entre eux se trouvent aux États-Unis et 52% en Chine; 83 % sont des barrages en remblai utilisés principalement pour le stockage de l'eau, et les 17 % restants sont des barrages en béton ou en maçonnerie à usages multiples. Les barrages qui produisent de l'énergie hydroélectrique produisent 20 % de l'électricité dans le monde.

Historique

Les barrages en remblai sont peut-être une technique de construction beaucoup plus ancienne que les barrages en béton ou en maçonnerie, mais le plus ancien barrage survivant est celui de Sadd el Kafara, à environ 32 km au sud du Caire, en Égypte. Ce barrage est en fait un composite constitué de deux murs de maçonnerie avec l'espace entre rempli de gravier ; il a été construit entre 2 950 et 2 750 av.

Les anciens Romains ont développé des techniques supérieures pour la construction en maçonnerie, mais, curieusement, ils n'ont pas souvent utilisé leurs compétences en maçonnerie dans la construction de barrages. Une exception était le barrage de Proserpina à Mérida, en Espagne, qui est toujours debout aujourd'hui. Les développements des Romains n'ont pas été négligés par les autres. Vers 550 après JC , les Byzantins sur les franges orientales de l'Empire romain ont utilisé la forme de l'arc en maçonnerie romaine pour construire ce que l'histoire croit être le premier barrage-voûte-poids au monde. La construction de barrages est arrivée en Amérique avec les conquistadors. Au Mexique, ils ont vu des terres arides ayant besoin d'être irriguées et ont imité les barrages construits par les Romains, les musulmans et les chrétiens espagnols dans leur patrie; l'Église catholique finançait la construction et de nombreux missionnaires étaient des ingénieurs qualifiés.

La construction de barrages était rare en Europe jusqu'à la révolution industrielle. Les climats nordiques produisaient plus de précipitations, donc l'énergie hydraulique était naturelle et l'approvisionnement en eau était abondant. Au XVIIIe siècle, cependant, l'essor de l'industrie nécessitait un approvisionnement constant et fiable en énergie hydraulique fournie à une plus grande force, de sorte que la construction de barrages en maçonnerie et en béton est devenue populaire en Europe. La révolution industrielle a également alimenté les développements de la science et de l'ingénierie, et la spécialité du génie civil, qui comprend la conception et la construction de structures pour améliorer la qualité de vie, a vu le jour dans les années 1850. Les premiers ingénieurs civils ont commencé à étudier la physique de Sir Isaac Newton et d'autres théories scientifiques et à les appliquer aux structures pratiques, y compris les barrages.

Restes du barrage d'Austin, Pennsylvanie, après sa rupture le 30 septembre 1911.

Le 30 septembre 1911, la ville d'Austin (3 200 habitants) dans le pays montagneux du centre-nord de la Pennsylvanie a été ravagée par un torrent d'eau rugissant à travers la vallée, canalisé par son étroitesse et ses murs accidentés. La force a arraché des conduites de gaz sous les rues; et dès que le mur d'eau est passé, une flamme errante a allumé le gaz et le feu a sauté de conduite de gaz en conduite de gaz et de maison en bâtiment à travers les vestiges de la ville d'Austin, vieille de 30 ans. Les premiers rapports affirmaient que 1 000 personnes avaient péri, bien que des informations ultérieures plaçaient le nombre de morts entre 50 et 149. La source de ce chagrin était également la source de subsistance pour Austin. L'usine de pâtes et papiers Bayless était propriétaire du barrage en béton, qu'elle avait construit en 1909 pour fournir un réservoir de stockage d'eau à son entreprise de fabrication de pâtes et papiers à forte consommation d'eau. Il y avait eu un précurseur à cette catastrophe en janvier 1910 lorsque, à la suite de pluies hivernales intenses et de la fonte des neiges, des fissures avaient été observées dans le barrage. Les fissures ont été réparées, mais elles n'ont pas été reconnues comme des indications de problèmes liés à la fondation, à la conception et à la construction de la structure.

Le barrage était encore en construction à l'approche de l'hiver 1909-10. Les températures étaient inférieures à zéro lorsqu'une partie du béton a été placée et les dernières étapes de la construction ont été terminées à la hâte. Le barrage a été achevé vers le 1er décembre 1909 et une fissure allant de la crête du barrage verticalement au sol était visible lorsque la construction a été terminée. À la fin du mois, une deuxième fissure était apparue. Les deux fissures semblaient avoir résulté de la contraction du béton. Le 17 janvier 1910, une vague de chaleur a apporté de fortes pluies et provoqué une fonte rapide des neiges, et quatre jours plus tard, les eaux de crue se déversaient sur le déversoir.

Tous les aspects techniques du barrage d'Austin étaient médiocres. Les échecs de construction étaient évidents et comprenaient l'utilisation d'agrégats faibles et surdimensionnés placés dans du béton mal durci par temps de gel. Lorsque la rupture de janvier 1910 s'est produite, cela a montré que la structure du barrage et le socle rocheux avaient échoué. Le mépris du propriétaire/exploitant à l'égard des réparations recommandées par l'ingénieur a été le sceau fatal.

Matières premières

Les matières premières essentielles pour les barrages en béton sont le béton lui-même et les armatures en acier. un certain nombre d'autres matériaux et composants fabriqués par des entrepreneurs spécialisés peuvent être utilisés dans la construction de barrages et comprennent des vannes en acier et des revêtements de tunnel, des arrêts d'eau en caoutchouc, des composés de remplissage de joints en plastique pour interdire le mouvement de l'eau, des commandes et des câbles électriques, des siphons, des vannes, des groupes électrogènes , un large assortiment d'instruments, et même des feuilles de téflon pour recouvrir les structures de sortie d'eau afin d'éviter les turbulences et la cavitation (dommages dus aux tourbillons d'eau).

Le béton lui-même est composé de ciment, d'eau et de matériaux appelés agrégats constitués de sable ou de gravier. Le ciment a des propriétés uniques qui doivent être prises en compte lors de la sélection du ciment, de la conception du barrage et du calendrier de construction. Le mélange du ciment et de l'eau provoque une réaction chimique qui durcit le béton mais qui dégage aussi de la chaleur. Cela provoque une nette élévation de la température à l'intérieur d'une masse de béton et, lorsque le béton commence à refroidir, il se rétracte et se fissure, provoquant potentiellement des fuites. Pour limiter ces effets, le béton peut être mis en place lorsque la température de l'air est basse, du ciment à basse température peut être utilisé et de l'eau peut circuler dans des tuyaux dans le béton. De plus, le béton doit être placé dans des ascenseurs peu profonds (c'est-à-dire que seuls quelques pieds ou mètres sont ajoutés à la fois) et dans des blocs étroits ; il faut ensuite le laisser durcir pendant un temps minimum spécifié afin que la chaleur se dissipe. Selon la conception du barrage, les ingénieurs choisiront très soigneusement le mélange de béton (y compris le ciment et le type de granulat) ; un barrage-voûte mince est conçu avec un mélange de béton différent d'un barrage-poids massif.

Conception

La conception d'un barrage en béton dépend de l'objectif du barrage et de la configuration du site où il sera construit. Les barrages sont de deux types généraux. Les barrages à débordement bloquent le débit d'un cours d'eau et exploitent l'eau pour produire de l'électricité ou pour améliorer la navigation et fournir de l'eau d'irrigation. Les composants d'un barrage déversoir sont conçus de manière à ce que l'eau puisse être libérée et le niveau de l'eau dans le réservoir régulé par une série d'écluses, de déversoirs ou de tunnels de sortie. Les barrages sans débordement stockent l'eau pour l'approvisionnement en eau potable, l'irrigation ou l'électricité ; ils ont également un déversoir, mais son utilisation est restreinte aux urgences pour abaisser rapidement le niveau de l'eau lors des inondations. Les méthodes de libération de l'eau stockée sont beaucoup plus limitées que dans les barrages à débordement, et le barrage lui-même peut ne pas contenir d'ouvrages de sortie. Au lieu de cela, l'eau peut être pompée pour l'irrigation, par exemple, à partir d'une partie du réservoir.

Certains sites sont mieux adaptés à des types particuliers de barrages. Un barrage-voûte est le plus approprié pour la construction dans une gorge haute et étroite où l'arche de la forme structurelle fournit de la résistance. Mais une arche peut également être construite à travers un canyon plus large où d'autres effets comme la friction à la base du barrage ajoutent de la force et de la résistance au mouvement. De même, un barrage-poids est le choix typique pour un canyon large et peu profond, mais s'il est construit avec une certaine courbure, l'action de voûte renforcera également un barrage-poids dans une gorge plus étroite et plus haute. Lorsque le lit de la rivière est exceptionnellement large, le barrage peut être conçu pour avoir plusieurs travées, chacune avec des propriétés techniques différentes en fonction de la variation des matériaux de fondation. Les travées séparées sont généralement soutenues du côté aval (air) par des contreforts ou les courbes étendues de plusieurs arches. Parfois, les travées des barrages à travées multiples sont constituées de dalles de béton ou de plaques d'acier soutenues par des piliers.

Comme les barrages en remblai, les barrages en béton passent par de nombreuses séries d'études de conception préliminaire et de faisabilité pour choisir et explorer le site, pour évaluer la quantité d'eau retenue et sa valeur (en tant que source d'énergie ou source d'approvisionnement) par rapport au coût du projet au cours de les années d'exploitation prévues, de prendre en compte un large éventail d'autres effets tels que les modifications de l'environnement, et de choisir un barrage de la taille et de la configuration optimales. Des centaines de facteurs entrent dans ces études, et le processus est généralement itératif. Une conception est choisie et testée par rapport à tous ces facteurs jusqu'à ce qu'elle ne réussisse pas à satisfaire un ou plusieurs facteurs, et la prochaine variation de conception est choisie et étudiée jusqu'à ce qu'elle échoue ou réussisse.

Le processus de conception d'un barrage en béton implique généralement des professionnels d'un plus large éventail de disciplines que la conception d'un barrage en remblai. Les professionnels techniques qui apportent leur expertise à la conception d'un barrage en béton peuvent inclure des géologues, des sismologues, des scientifiques de l'environnement, des ingénieurs géotechniques (des sols), des ingénieurs civils, des ingénieurs en structure, des analystes informatiques (spécialistes des applications logicielles qui examinent la résistance et la sécurité du barrage), hydrologues et ingénieurs hydrauliques, ingénieurs mécaniciens et ingénieurs électriciens si le barrage doit être utilisé pour la production d'électricité. Encore plus de spécialistes peuvent étudier des aspects tels que la corrosion des structures en béton et en acier. Le travail d'équipe requis pour la conception et la construction du barrage est essentiel non seulement en raison des coûts énormes de ces projets, mais aussi parce que la sécurité Un exemple de plan type de barrage poids à voûte en béton. des personnes et des biens en aval exige la perfection.

Le processus de construction

1. Avant de pouvoir commencer la construction d'un barrage, l'eau du lit du cours d'eau doit être détournée ou empêchée de s'écouler à travers le site. Comme dans le cas des barrages en remblai, un batardeau (une structure temporaire pour retenir l'eau) doit être construit ou l'eau doit être détournée dans un autre canal ou une zone en aval du site du barrage. Pour les grands projets, cette construction peut se faire plusieurs saisons avant le début de la construction du barrage. L'écoulement de l'eau est fermé au tout dernier moment.

2. La zone de fondation de tout barrage en béton doit être impeccable avant la mise en place du premier béton du barrage. Quant aux barrages en remblai, il s'agit d'un processus détaillé d'excavation, de nettoyage et de réparation de la roche tout au long de l'« empreinte » de la fondation et sur les deux culées (les côtés du canyon qui forment les extrémités du barrage). Les sites immédiatement en aval du barrage pour toute centrale électrique, bassin de tranquillisation ou autre structure doivent également être préparés.

   Sur certains sites, des travaux importants peuvent être nécessaires. Si la roche dans la fondation ou les culées est sujette à la fracturation en raison de la charge imposée par le barrage et son réservoir, l'activité sismique ou les propriétés de la roche, il peut être nécessaire d'installer des systèmes complets de boulons d'ancrage ou de boulons d'ancrage qui sont injecté dans la roche à travers des zones de fracture potentielles. Sur les culées au-dessus du barrage, des systèmes de boulons d'ancrage et de filets peuvent être nécessaires pour empêcher les gros fragments de roche de tomber sur le barrage. Des instruments pour surveiller les niveaux d'eau souterraine, le mouvement des joints, les infiltrations potentielles, les mouvements de pente et l'activité sismique sont installés dès les premières étapes de la préparation des fondations jusqu'à l'achèvement du barrage.

   Un mur de coupure peut être creusé profondément dans la roche ou des trous peuvent être percés dans la fondation pour l'installation d'acier d'armature, appelés barres d'armature, qui s'étendent jusqu'au barrage et seront attachés à l'acier à l'intérieur des premiers ascenseurs du barrage. L'idée est de construire un réservoir qui, comme un bol, soit également sain autour de son périmètre. L'eau est la plus profonde et la plus lourde au barrage (lorsque le réservoir est proche de sa capacité), de sorte que le barrage et sa fondation ne peuvent pas être un point faible dans ce périmètre.

3. Des coffrages en bois ou en acier sont construits le long des bords de chaque section du barrage. La barre d'armature est placée à l'intérieur des coffrages et attachée à toute barre d'armature adjacente qui a été précédemment installée. Le béton est ensuite coulé ou pompé. La hauteur de chaque levage de béton n'est généralement que de 5 à 10 pieds (1,5 à 3 m) et la longueur et la largeur de chaque section de barrage à couler en tant qu'unité n'est que d'environ 50 pieds ( 15 mètres). La construction se poursuit ainsi car le barrage est surélevé tronçon par tronçon et ascenseur par ascenseur. Certains grands barrages sont construits en sections appelées blocs avec des clés ou des serrures qui relient les blocs adjacents ainsi que les connexions en acier de construction.

   Le processus ressemble beaucoup à la construction d'un bâtiment, sauf que le barrage a beaucoup moins d'espace interne; étonnamment, cependant, les grands barrages en béton ont des galeries d'observation à différents niveaux, de sorte que l'état de l'intérieur du barrage peut être observé pour les infiltrations et les mouvements. Les tunnels d'entrée et de sortie ou d'autres structures traversent également des barrages en béton, ce qui les rend très différents des barrages en remblai qui ont aussi peu de structures que possible pénétrant dans la masse du barrage.

4. Dès qu'une partie importante du barrage est construite, le processus de remplissage du réservoir peut commencer. Ceci est fait de manière hautement contrôlée pour évaluer les contraintes sur le barrage et observer ses premières performances. Un déversoir d'urgence temporaire est construit si la construction du barrage prend plus d'une saison de construction ; la construction longue se fait généralement en phases appelées étapes, mais chaque étape est entièrement achevée en elle-même et constitue un barrage opérationnel. Le batardeau en amont peut être laissé en place à titre de précaution temporaire, mais il n'est généralement pas conçu pour contenir plus que des débits de cours d'eau et des précipitations minimes et sera démantelé dès que possible. Selon la conception, certains barrages ne sont pas remplis tant que la construction n'est pas pratiquement terminée.

5. Les autres ouvrages qui rendent le barrage opérationnel sont ajoutés dès que l'élévation de leur emplacement est atteinte au fur et à mesure que le barrage s'élève. Les éléments finaux sont la protection contre l'érosion du côté amont (eau) du barrage (et parfois en aval à la base des ouvrages de sortie), les instruments le long de la crête (sommet) du barrage et les routes, trottoirs, lampadaires et systèmes de retenue. des murs. Un barrage majeur comme le barrage Hoover a une chaussée à part entière le long de sa crête; les petits barrages auront des routes d'entretien qui permettront un accès unique aux véhicules uniquement.

   Coupe transversale d'un barrage poids à voûte en béton typique. La hauteur est de 280 pi (85 m). L'épaisseur passe de 16 pi (4,9 m) au sommet à 184 pi (56 m) à la base.

   Loin du barrage lui-même, la centrale électrique, les bâtiments d'instruments et même les maisons des opérateurs résidents du barrage sont également terminés. Des tests initiaux de toutes les installations du barrage sont effectués.

6. Les derniers détails des constructions s'achèvent au fur et à mesure de la mise en service du barrage. Le début de la vie utile du barrage a également été soigneusement planifié en tant qu'élément de conception, afin que l'eau soit disponible dans le réservoir dès que le système d'alimentation est prêt à la pomper et à la canaliser en aval, par exemple. Un programme d'exploitation, d'entretien de routine, de réhabilitation, de contrôles de sécurité, de surveillance des instruments et d'observation détaillée se poursuivra et est mandaté par la loi tant que le barrage existe.

Contrôle qualité

Il n'y a pas de construction de barrage sans un contrôle qualité intensif. Le processus de construction à lui seul implique des équipements lourds et des conditions dangereuses pour les travailleurs de la construction ainsi que pour le public. La population vivant en aval du barrage doit être protégée sur l'ouvrage lui-même; les professionnels qui conçoivent et construisent ces projets sont absolument attachés à la sécurité, et ils sont surveillés par des agences locales, étatiques et fédérales comme les Divisions of Dam Safety, le U.S. Corps of Engineers et le Department of Reclamation.

Sous-produits/Déchets

Il n'y a pas de sous-produits dans la conception ou la construction du barrage bien qu'un certain nombre d'autres installations associées ou de soutien puissent être nécessaires pour faire fonctionner le projet. Les déchets sont également minimes car les matériaux sont trop chers pour que les déchets soient autorisés. De plus, les emplacements sont souvent éloignés et le processus de transport des déchets loin du site et de leur élimination est prohibitif. Le sol et la roche qui peuvent être excavés de la zone de fondation, des sites en aval, des culées ou des parties du réservoir sont généralement utilisés ailleurs sur le site du projet. Les quantités de matériaux découpés ou placés comme remblai sont soigneusement calculées pour équilibrer.

Le futur

L'avenir des barrages en béton fait l'objet de nombreux débats. Chaque année, plus de 100 000 vies sont perdues dans les inondations, et la lutte contre les inondations est l'une des principales raisons de la construction de barrages, ainsi que de la protection des estuaires contre les marées montantes et de l'amélioration de la navigation. Les barrages profitent également à des vies car ils fournissent l'approvisionnement en eau pour l'irrigation des champs et pour l'eau potable, et l'énergie hydroélectrique est une source d'électricité non polluante. Les réservoirs sont également utilisés pour les loisirs, le tourisme et la pêche.

Cependant, les barrages nuisent également à l'environnement. Ils peuvent modifier les écosystèmes, noyer les forêts et la faune (y compris les espèces menacées), modifier la qualité de l'eau et les schémas de sédimentation, provoquer la perte de terres agricoles et de sols fertiles, réguler le débit des rivières, propager des maladies (en créant de grands réservoirs qui abritent des insectes porteurs de maladies ), et peut-être même affecter le climat. Il y a aussi des effets sociaux négatifs parce que les populations humaines sont déplacées et ne sont pas réinstallées de manière satisfaisante.

Pendant des années avant le début de la construction en 1994 du barrage des Trois Gorges en Chine, les écologistes du monde entier ont organisé des manifestations pour tenter d'arrêter cet énorme projet. Ils n'ont pas réussi, mais la controverse sur ce projet est représentative des arguments auxquels tous les barrages proposés seront confrontés à l'avenir. L'équilibre entre la satisfaction des besoins humains en eau, électricité et contrôle des inondations et la protection de l'environnement contre l'éradication ou l'empiètement humain doit être soigneusement pesé.