LES FORCES EN ACTION

La force pressante représente l'action mécanique de contact qu'exerce un solide, un liquide ou un gaz sur une paroi, perpendiculairement à la surface de cette paroi. La pression est la force pressante rapportée à l'unité d'aire d'une surface.

Sur Terre, une pression s'applique sur la surface d'un système en immersion : la pression hydrostatique. Cette pression est due au poids de la colonne liquide sur le système. La pression de l'eau est la même dans toutes les directions, car c'est un liquide. La pression verticale est donc la même que la pression horizontale en un même emplacement. Dans un barrage, on néglige la pression atmosphérique car elle s'exerce de chaque côtés de l'édifice et ainsi s'annule.

Son intensité est :

Pression hydrostatique

Résultante hydrostatique

La force résultante des différentes pressions hydrostatiques s'appliquant sur le centre de gravité du barrage est :

Avec

F: la force pressante en N

g: la pesanteur, sur terre g = 9,81 m/s²

ρ: la masse volumique du liquide en kg/m3

L: la largeur du barrage en m

H: la hauteur du barrage en m.

On voit avec cette formule que la force hydrostatique augmente lorsque la hauteur augmente. Cette force correspond à l'intensité de la pression hydrostatique au centre de gravité du barrage, soit à un tiers de sa hauteur.

p=ρ⋅g⋅h

Avec

p: la pression hydrostatique en un point en Pa (N/m²)

ρ: la masse volumique du liquide en kg/m3 (pour l'eau : ρ = 1 kg/L soit ρ = 1000 kg/m3)

g: la pesanteur, sur terre g = 9,81 m/s²,

h: la hauteur du liquide au-dessus du point étudié.

Ainsi pour 10m d'eau, on a p= 1000 x 9.81 x 10= 91800 Pa, soit une pression hydrostatique d'environ 10000 Pa.

Ainsi plus la hauteur de la colonne d'eau augmente, plus la pression hydrostatique est importante :

F=ρ⋅g⋅L.(1/2)H²

Pression interstitielle

Pour les barrages faits en béton BCR, la pression interstitielle est le résultat de la force exercée par l'eau, infiltrée dans les nombreuses fissures du barrage et de la roche qui le soutient. L'eau s'écoule en général sans faire trop de dégâts dans ces infiltrations, mais lorsque ces "fuites" se bouchent, l'eau s'accumule, donc la pression hydrostatique aussi, et ainsi la maçonnerie ou la roche éclate, provoquant alors la rupture de l'édifice.

Pour lutter contre ce danger, on peut laisser l'eau s'écouler tout en surveillant de près ces fuites, ou bien, la solution la plus courante et la plus sure est de mettre un voile étanche sur le versant où la réserve d'eau se trouve, ainsi l'eau ne peut pas s'infiltrer.

Afin de réduire le problème des sous pressions, on empêche le passage de l'eau sous le barrage en injectant du ciment dans la fondation rocheuse, c'est à dire en créant un voile d'injection et l'on draine l'eau infiltrée avec des drains pour éviter l'effet piston. On peut aussi dériver les infiltrations interstitielles de cette dernière afin d'éviter un basculement ou un glissement de la construction, qui étant soulevé, serait renversé par la force de sa retenue d'eau. Afin de vérifier l'état d'un barrage, celui-ci est parcouru de galeries de maintenance qui permettent d'effectuer un contrôle visuel de l'intérieur du barrage toutes les deux semaines, ainsi qu'un autre plus approfondie chaque mois. Une pendule mesurant les variations verticale ainsi qu'un laser placé à l'extérieur permettent de surveiller les mouvements infimes, invisibles à l’œil nu du barrage, tout en tenant compte de son élasticité, puisque celle-ci est amenée régulièrement à bouger légèrement selon les saisons et le niveau d'eau de la retenue. Au niveau de celle-ci, on fait des tournées en barque afin de vérifier l'état des berges et autres parois du réservoir (auscultation du béton, contrôle visuel de l'état des masques étanches ...). Tous les 10 ou 20 ans, le bassin d'eau est vidé afin d'effectuer un contrôle très approfondi.

Sous-pression

Les barrages poids sont des ouvrages extrêmement lourd avec une masse volumique de 2.4 à 2.5 t/m3. Leur masse peut donc atteindre des dizaines de millions de tonnes. Le poids du barrage est donc :

P= ρΒ.V.g

Avec :

P : le poids du barrage en Newton

ρΒ : la masse volumique du béton

V : le volume du barrage

g : la pesanteur, sur terre g = 9,81 m/s²

Poids

Les infiltrations d’eau dans les sols sous le barrage, avec la pression de l’eau retenue, provoquent un phénomène de sous-pression qui s’oppose au poids du barrage. Si ces sous-pressions sont trop fortes, elles peuvent soulever le barrage ou créer des fissures augmentant le risque d’accidents. Les sous-pressions sont en général maximales à l'amont du barrage, c'est à dire au niveau du bassin d'eau, et minimales à l'aval. Si les sous-pressions sont trop élevées à l'amont (supérieures au poids du béton), cela représente une menace importante pour l'ouvrage. Pour éviter ce risque on met en général un voile d'injection, qui rallonge le trajet de l'eau infiltrée, et comme la distance à parcourir augmente, la pression qu'exerce l'écoulement sous le barrage diminue. Si l'étanchéité du sol est trop faible, le voile d'injection sera plus profond.

Résultante des forces "poids+eau"

La résultante "poids+eau" est donc composée de la pression hydrostatique et du poids. Si le prolongement du vecteur "R" modélisant cette résultante recoupe la fondation alors le barrage est stable, sinon il aurait tendance à basculer, en se fissurant à l’amont.

C'est la somme vectorielle de la pression hydrostatique et du poids.

Résistance de la fondation et le frottement

La résistance de la fondation et le frottement sont des forces qui s'appliquent sur la zone de contact entre le barrage et le sol. La résistance de la fondation permet au barrage de ne pas s'enfoncer sous son poids. Elle s'oppose donc au poids. Le frottement permet au barrage de ne pas glisser sous la pression de l'eau. Il s'oppose donc à la pression hydrostatique. La résistance de la fondation et le frottement est donc une force «–R» vers le haut.

TPE

Louis-Marie Lavier