Constructions hydrauliques
Ecoulements stationnaires

Les constructions hydrauliques sont parmi les ouvrages les plus exigeants du génie civil. En raison de leurs multiples interactions avec l'eau, l'air et le sol, leur conception requière un large spectre de connaissances dans des disciplines aussi variées que la géotechnique, les structures et bien évidemment l'hydraulique, que l'ingénieur projeteur se doit de maîtriser.
Ce livre s'adresse principalement aux ingénieurs praticiens et aux étudiants de Bachelor et de Master; il propose un exposé clair et synthétique des notions fondamentales de l'hydraulique, illustré de nombreuses applications aux ouvrages telles que conduites, canaux, déversoirs et dissipateurs d'énergie. Les solutions présentées sont, dans la mesure du possible, éclairées d'approches théoriques et de résultats d'essais, et des exemples de calcul facilitent l'application des sujets traités.
Cette nouvelle édition, complètement revue et mise à jour avec des développements récents, a été enrichie de nombreuses nouvelles sections.

Table des matières




Avant-propos V


Table des mati ères.... VII


I.

R APPEL DES BASES

1.

Equations fondamentales ...................................................................................................... 3


1.1

Introduction ............................................................................................................................. 5


1.2

Principe de continuité 6


1.3

Principe de la quantité de mouvement..................................................................................... 7


1.3.1

Forces extérieures 7


1.3.2

Fluide parfait............................................................................................................. 8


1.3.3

Fluide réel 8


1.4

Equation de Bernoulli. ............................................................................................................. 8


1.5

Ecoulements courbes 9


1.6

Equation intégrale de la quantité de mouvement..................................................................... 12


1.7

Hydraulique des écoulements.................................................................................................. 13


Références ............... 15


Notations 15


2.

Pertes de charges ................................................................................................................... 17


2.1

Introduction 19


2.2

Pertes de charge réparties 19


2.2.1

Ecoulement turbulent................................................................................................ 19


2.2.2

Régimes turbulents lisse et rugueux 23


2.2.3

Formules empiriques du domaine rugueux 26


2.2.4

Formule de Manning-Strickler.................................................................................. 28


2.2.5

Rugosité dans des conduites 29


2.3

Pertes de charge locales 33


2.3.1

Définitions................................................................................................................. 33


2.3.2

Stabilité de l'écoulement 34


2.3.3

Eléments locaux 35


2.3.4

Elargissement et rétrécissement................................................................................ 35


2.3.5

Entrée et sortie 38


2.3.6

Coude........................................................................................................................ 41


2.3.7

Branchement ............................................................................................................. 46


2.3.8

Grilles et vannes........................................................................................................ 55


Références.................................................................................................... 59


3.

Conduites en charge 63


3.1

Introduction 65


3.2

Conduite de section constante 67


3.2.1

Sortie à l'air libre 67


3.2.2

Sortie immergée 69


3.3

Conduite de section variable.................................................................................................... 69


3.4

Systèmes de conduites 70


3.5

Conduite de distribution 73


Références.................................................................................................................... 80


Notations..................................... 80


4.

Hauteurs typiques de l'écoulement...................................................................................... 83


4.1

Introduction 85


4.2

Hauteur uniforme..................................................................................................................... 86


4.2.1

Formule de Manning-Strickler.. ................................................................................ 86


4.2.2

Formule de Darcy-Weisbach..................................................................................... 87


4.2.3

Corrélation entre les équations de Darcy-Weisbach et de Manning-Strick1er.......... 90


4.2.4

Détermination du coefficient de rugosité.................................................................. 91


4.2.5

Canaux à rugosité composée..................................................................................... 97


4.2.6

Canal circulaire partiellement rempli 98


4.3

Hauteur critique 100


4.4

Hauteurs conjuguées................................................................................................................ 101


4.5

Evaluation des hauteurs typiques 103


4.5.1

Profilsdecanauxconsidérés 103


4.5.2

Profil trapézoïdal ....................................................................................................... 104


4.5.3

Profil trapézoïdal plein.............................................................................................. 107


4.5.4

ProfilenU 107


4.5.5

Profil circulaire 112


4.5.6

Ressaut dans un canal circulaire 115


4.5.7

Profil exponentiel ...................................................................................................... 115


4.6

Interaction de l'écoulement avec la végétation riveraine 119


4.6.1

Introduction............................................................................................................... 119


4.6.2

Végétation rigide............ 119


4.6.3

Végétation flexible 121


4.6.4

Végétation mixte (rigide et flexible) ......................................................................... 122


4.6.5

Découpage des sections 123


4.6.6

Approche basée sur la loi logarithmique de vitesse.................................................. 127


Références .................................................................................................................... 127


Notations 128


5.

Courbes de remous ...... 131


5.1

Introduction 133


5.2

Modèle simplifié 134


5.3

Canaux prismatiques à pente constante 135


5.3.1

Discussion de l'équation de base 135


5.3.2

Canal rectangulaire de grande largeur 136


5.3.3

Canal de section quelconque..................................................................................... 137


5.4

Section de contrôle 139


5.5

Calcul de la courbe de remous................................................................................................. 142


5.5.1

Solution générale 142


5.5.2

Approche par un calcul itératif 144


5.6

Ponceau ;....................................................................................................... 150


5.6.1

Description des types d'écoulements........................................................................ 150


5.6.2

Corrélationentredébitetcharge............................................................................... 152


5.6.3

Diagramme d'écoulement......................................................................................... 153


5.6.4

Dimensionnement du ponceau.................................................................................. 154


Références 157


Notation s....... ........................................................................................................................... 158


II.

D ÉVERSOIRS ET VANNES

6.

Déversoirs à crête rectiligne... ....... 161


6.1

Introductionetclassification.................................................................................................... 163


6.2

Déversoir à paroi mince., 163


6.3

Déversoir standard................................................................................................................... 167


6.3.1

Développement d'un déversoir standardisé.............................................................. 167


6.3.2

Géométrie du déversoir standard 168


6.3.3

Effet de charge sur le déversoir standard 169


6.3.4

Limite supérieure de la charge.................................................................................. 173


6.4

Effet des piliers 176


6.5

Déversoir à seuilépais............................................................................................................. 178


6.5.1

Généralités 178


6.5.2

Déversoir à seuil épais simple 179


6.6

Déversoir noyé.. 182


6.6.1

Déversoir standard 182


6.6.2

Déversoir àseuil épais• 184


6.7

Aération des déversoirs 186


Références............................................................................................................................... 188


Notations....... 189


7.

Déversoirs à crête non rectiligne 191


7.1

Introdu ction 193


7.2

Déversoir à crête circulaire...................................................................................................... 193


7.2.1

Evacuateurs en tulipe................................................................................................ 193


7.2.2

Fonctionnement 195


7.2.3

Géométrie du déversoir circulaire standard 196


7.2.4

Ecoulement dénoyé................................................................................................... 197


7.2.5

Ecoulement noyé....................................................................................................... 201


7.2.6

Entraînement d'air naturel et forcé dans un puits 203


7.2.7

Aération forcée de l'écoulement aval....................................................................... 205


7.2.8

Dimensionnement et aspects constructifs 206


7.3

Déversoir labyrinthe 207


7.3.1

Description de l'écoulement..................................................................................... 207


7.3.2

Dimensionnement du déversoir labyrinthe 208


7.3.3

Déversoir en touches de piano (PK-Weir) 209


Références 211


Notations..................................... 213


8.

Déversoirs contrôlés par des vannes.. 215


8.1

Introduction 217


8.2

Fonctionnement d'une vanne................................................................................................... 219


8.2.1

Description de 1'écoulement 219


8.2.2

Description de la géométrie 220


8.3

Ecoulement dénoyé.................................................................................................................. 221


8.3.1

Equation de base 221


8.3.2

Vanne plane et vanne secteur 223


8.3.3

Profil de surface aval........ 224


8.3.4

Force sur la vanne 226


8.3.5

Vanne simple............................................................................................................. 227


8.4

Ecoulement noyé 232


8.5

Vanne de déversoir......... 235


8.5.1

Vanne plane verticale 235


8.5.2

Vanne secteur 236


8.6

Clapet.. .................................... ............................................................................................. .... 24 1


8.7

Vanne gonflable 243


Références ......... 245


Notations.................................................................................................................................. 246


9.

Déversoirs latéraux................................................................................................................ 249


9.1

Introduction 251


9.2

Equations de base 25 1


9.3

Intensité du débit latéral 254


9.4

Formulation adimensionnelle 254


9.5

Conditions asymptotiques........................................................................................................ 255


9.6

Conditions aux limites 257


9.7

Solutions et leur discussion 258


9.8

Application des résultats.......................................................................................................... 263


Références.................................................................................................................... 264


Notations.................................................................................................................................. 264


III.

C AN AUX

10.

Canaux à adduction latérale................................................................................................. 269


10.1

Introduction 271


10.2

Hypothèses et équations de base 272


10.3

Conditions aux limites 274


10.3.1

Généralités 274


10.3.2

Point singulier 275


10.3.3

Condition pseudo-critique......................................................................................... 276


10.4.1

Auge à faible pente du radier.. 277


10.4.2

Auge à forte pente du radier, Xs < L.......................................................................... 279


10.4.3

Auge à forte pente du radier, X~ L.......................................................................... 280
s

10.5

Profil de surface dans des auges rectangulaires....................................................................... 282


10.5.1

Equation de base et essais hydrauliques 282


10.5.2

Observations expérimentales 283


10.6

Commentaires supplémentaires 289


10.7

Applications ............................................................................................................................. 290


Références 292


Notations............................................ 292


11.

Canaux courbes et canaux à branchements ................... ..................... ............................. ... 295


Il .

1 Introduction 297


11.2

Canaux courbes........................................................................................................................ 297


Il.2.1

Ecoulement fluvial.................................................................................................... 297


Il

.2.2 Ecoulement torrentiel. ............................................................................................... 299


Il

.2.3 Essais hydraulique s................................................................................................... 302


Il .2.4 Détails constructifs 306


11.3

Canaux à jonction.................................................................................................................... 307


Il .3.1 Généralités 307


Il.3.2

Ecoulement fluvial.................................................................................................... 308


11.3.3

Ecoulement transitoire 310


Il.3.4

Ecoulement torrentiel................................................................................................ 312


Références 316


Notations......... ......................................................................................................................... 316


12.

Canaux non prismatiques 319


12.1

Introduction 321


12.2

Types d'écoulement................................................................................................................. 321


12.2.1

Rétrécissement et élargissement de la section 321


12.2.2

Combinaison rétrécissement-élargissement.............................................................. 323


12.3

Rétrécissement local de la section 323


12.4

Caractéristiques de l'écoulement à travers un rétrécissement...................... 325


12.5

Ecoulement contrôlé par le rétrécissement.. ,........ 327


12.6

Ecoulement contrôlé par l'aval................................................................................................ 329


12.6.1

Coefficient de contraction 329


12.6.2

Hauteur amont............................................................................................... 330


12.6.3

Effet de la courbure de l'entrée................................................................................. 332


12.7

Rétrécissement dans des conditions d'écoulement torrentielles 334


12.7.1

Analyse classique...................................................................................................... 334


12.7.2

Analyse plus détaillée 337


12.8

Elargissements pour l'écoulement torrentiel........................................................................... 342


12.8.1

Proposition de Rouse 342


12.8.2

Proposition de Hager et Mazumder 343


12.8.3

Surface d'eau à l'aval de piliers................................................................................ 349


Références 356


Notations.................................................................................................................................. 357


13.

Coursiers avec écoulement de surface 359


13.1

Introduction ............................ 361


13.1.1

Phénomène d'entraînement d'air 361


13.1.2

Mécanisme de l'entraînement d'air 362


13.2

Canaux rectangulaires à forte pente......................................................................................... 363


13.2.1

Evolution de l'écoulement........................................................................................ 363


13.2.2

Début de l'aération superficielle 364


13.2.3

Ecoulement non uniforme aéré 367


13.2.4

Zone d'aération uniforme 372


13.2.5

Transport de l'air dans les coursiers 377


13.3

Conduite circulaire partiellement remplie 382


13.4

Coursier en marches d'escalier................................................................................................ 384


13.4.1

Introduction..................................... ................................ .......................................... 384


13.4.2

Coursier en marches d'escalier sans aérateur 386


13.4.3

Coursier en marches d'escalier avec aérateur........................................................... 390


13.4.4

Réduction de la brume 394


13.4.5

Coursiersenmarchesd'escalieréquipésdemacrorugosité...................................... 397


Références ...................................................................................................................... 407


Notations........................... ........ 408


14.

Cavitation et aération forcée................................................................................................. 411


14.1

Introduction 413


14.2

Description physique de la cavitation...................................................................................... 414


14.3

Cavitation dans des rétrécissements 416


14.4

Irrégularités de surface 417


14.5

Aération forcée des coursiers 418


14.5.1

Types d'aérateurs.............................................. 418


14.5.2

Principe de fonctionnement 420


14.6

Caractéristiques d'écoulement................................................................................................. 420


14.6.1

Concentration d'air 420


14.6.2

Entraînement d'air 422


14.6.3

Systèmes d'entraînement d'air.................................................................................. 425


14.6.4

Espacement des aérateurs 425


Références 426


Notations.................................................................................................................................. 427


IV.

OUVRAGES DE DISSIPATION

15.

Ressaut hydraulique 431


15.1

Introduction 433


15.2

Ressaut hydraulique sur radier horizontal............................................................................... 433


15.2.1

Phénomène du ressaut hydraulique........................................................................... 433


15.2.2

Hauteurs conjuguées 434


15.2.3

Perte de charge relative ............................................................................................. 436


15.2.4

Longueur du ressaut.................................................................................................. 437


15.3

Ecoulement interne du ressaut hydraulique plan ..................................................................... 439


15.3.1

Introduction............................................................................................................... 439


15.3.2

Types de ressaut ........................................................................................................ 439


15.3.3

Profil de surface 440


15.3.4

Vitesses à la surface 441


15.3.5

Vitesses au fond 441


15.3.6

Répartition de la vitesse............................................................................................ 442


15.3.7

Répartition de la masse volumique et de la pression 443


15.3.8

Aération du ressaut hydraulique 444


15.4

Ressaut hydraulique sur pente positive 445


15.4.1

Classification de ressauts 445


15.4.2

Ressaut sur pente de type C 446


15.4.3

Ressaut sur pente de type B 447


15.5

Position du ressaut hydraulique ............................................................................................... 449


15.6

Ressaut ondulé......................................................................................................................... 449


Références 452


Notations.................................................................................................................................. 453


16.

Bassins amortisseurs.......................................................................................... 455


16.1

Introduction 457


16.2

Marches positive et négative 459


16.2.1

Types de ressauts et hauteurs conjuguées 459


16.2.2

Stabilité, efficacité et compacité 462


16.3

Seuil transversal....................................................................................................................... 465


16.3.1

Description................................................................................................................ 465


16.3.2

Seuil dénoyé.............................................................................................................. 465


16.3.3

Seuil noyé 467


16.4

Blocs dissipateurs 469


16.5

Bassins amortisseurs non prismatiques 473


16.6

Combinaisons d'éléments dissipateurs.................................................................................... 476


16.6.1

Généralités ................................................................................................................ 476


16.6.2

Bassins amortisseurs de types USBR 476


Références................ 479


Notations.................................................................................................................................. 480


17.

Auge, saut de ski et déflecteur 481


17.1

Introduction 483


17.2

Dissipateur à auge.................................................................................................................... 483


17.2.1

Généralités 483


17.2.2

Description de l'écoulement 484


17.2.3

Dimensionnement du dissipateur 485


17.3

Saut de ski................................................................................................................................ 486


17.3.1

Description................................................................................................................ 486


17.3.2

Types d'écoulement.................................................................................................. 488


17.3.3

Caractéristiques de l'écoulement sur 1'auge 489


17.304

Trajectoire du jet 497


1704 Auge de déftection................................................................................................................... 498


1704.1

Description 498


1704.2

Dimensionnement .. 499


17.5

Affouillements par des jets 500


17.5.1

Description du phénomène et mesures 500


17.5.2

Résultats expérimentaux pour un fond sans cohésion 503


17.5.3

Résultats expérimentaux avec fond rocheux fissuré 507


Références....................................................................................................................... 514


Notations.................................................................................................................................. 516


v.

OUVRAGES DE PRISE ET DE VIDANGE

18.

Prise d'eau 521


18.1

Introduction........... 523


18.2

Types et emplacements possibles 523


18.2.1

Prises situées aux rives 524


18.2.2

Prises indépendantes 525


18.2.3

Prises combinées avec barrages en béton 526


18.204

Dimensionnement et géométrie de l'entrée d'une prise 526


18.3

Classification des vortex.......................................................................................................... 527


1804 Prise verticale 529


18.4.1

Equations de base...................................................................................................... 529


18.4.2

Répartition des vitesses............................................................................................. 530


1804.3

Coefficient de débit.................................................................. 531


180404 Submersion critique 533


18.5

Prise horizontale 534


18.5.1

Submersion critique 534


18.5.2

Mesures constructives contre la formation des vortex.............................................. 536


18.6

Prise à grande profondeur........................................................................................................ 538


18.6.1

Géométrie du jet plan................................................................................................ 538


18.6.2

Géométrie de l'entrée d'une prise............................................................................. 540


Références 543


Notations.................................................................................................................................. 543


19.

Vidange de fond 545


19.1

Introduction 547


19.1.1

Buts et fonctionnement 547


19.1.2

Conceptions des vidanges de fond..... ....................................................................... 548


19.2

Vannes de fond......................................................................................................................... 549


19.2.1

Types de vannes 549


19.2.2

Vibrations de vannes 550


19.2.3

Caractéri stiques du débit. .......................................................................................... 552


19.3

Aération des vidanges de fond................................................................................................. 554


19.3.1

Moyens d'aération 554


19.3.2

Mécanismes d'aération 556


19.3.3

Ecoulement libre 557


19.3.4

Ecoulement à ressaut 558


19.3.5

Aérateur de fond 558


19.4

Approche selon Speerli............................................................................................................ 561


19.4.1

Modèle hydraulique 561


19.4.2

Concentrations d'air.................................................................................................. 562


19.4.3

Visualisation des vortex 565


Références ........................................................................................................................ 566


Notations.................................................................................................................................. 567


Annexes................................................................................................................................... 569


Annexe 1 571


Annexe II 579


Annexe III 581


Annexe IV................................................................................................................................ 585


Index 589