Barrage - Définition

Un barrage est un ouvrage d'art construit en travers d'un cours d'eau et destiné à en retenir l'eau. Par extension, on appelle barrage tout obstacle placé sur un axe de communication et destiné à permettre un contrôle sur les personnes et/ou les biens qui circulent (barrage routier, barrage militaire).

Quand le barrage est submersible, on parle plutôt de chaussée ou de digue (ce dernier terme est également préféré à celui de barrage lorsqu'il s'agit de canaliser un flot et non de créer une étendue d'eau stagnante).

Un barrage fluvial permet par exemple la régulation du débit d'une rivière ou d'un fleuve (favorisant ainsi le trafic fluvial), l'irrigation des cultures, une prévention relative des catastrophes naturelles (crues, inondations), par la création de lacs artificiels ou de réservoirs. Un barrage autorise aussi, sous certaines conditions, la production de force motrice (moulin à eau) et d'électricité (on parle alors de barrage hydroélectrique), à un coût économique acceptable, le coût environnemental étant plus discuté (cf. fragmentation écopaysagère, phénomènes d'envasement à l'amont du barrage, dégradation de la qualité de l'eau).

Toutefois, plus un projet est ambitieux, plus ses conséquences sont lourdes : en noyant des vallées entières, la construction d'un barrage peut provoquer à la fois des bouleversements humains en forçant des populations entières à se déplacer, et avoir un impact écologique non négligeable en changeant fondamentalement l'écosystème local.

Histoire

Les barrages existent probablement depuis la préhistoire (réserve d'eau potable, d'irrigation, viviers, piscicultures) mais c'est au moyen-âge qu'ils se sont fortement développé en Europe pour alimenter en eau les moulins à eau. Il semble qu'ils aient parfois pu s'appuyer sur des sédiments accumulés en amont d'embâcles naturels, ou sur les lieux de barrages de castors dont la toponymie conserve des traces (par exemple en France avec le mot bief et bièvre (ancien nom de castor) qui pourraient être liés, ou avec des noms de communes tels que Beuvry (un des anciens noms de castor) ou La beuvrière (la " castorière "). Les cartes anciennes, de Cassini par exemple portent témoignage des nombreux barrages de petites rivières faits par les paysans ou les moines locaux, pour conserver l'eau et y élever du poisson ou pour le rouissage du lin ou du chanvre.

À noter qu'en conservant des volumes d'eau et une hauteur d'eau plus importante en saison sèche, ces barrages ont également pu "tamponner" les fluctuations estivales des nappes (car toutes choses égales par ailleurs, c'est la hauteur d'eau qui contrôle la vitesse de percolation, cf. Loi de Darcy).

Quelques exemples de grands barrages dans le monde

• le barrage Hoover aux États-Unis (1931-1935)
• les barrages d'Assouan sur le Nil, en Égypte
• le barrage d'Inga sur le Congo, en République démocratique du Congo
• le barrage d'Itaipu à la frontière entre le Brésil et le Paraguay
• la Centrale Robert-Bourassa au Québec, Canada
• le barrage des Trois Gorges en Chine
• le barrage de la Grande-Dixence, en Suisse, plus précisément en Valais, dans le val d'Hérens
• le barrage Atatürk sur l'Euphrate en Turquie
• le barrage Daniel-Johnson sur la Manicouagan au Québec, Canada
• le barrage de Nourek (300 m) au Tadjikistan est le barrage le plus haut du monde.

Techniques de construction

Généralités

Un barrage est soumis à plusieurs forces. Les plus significatives sont :

- la poussée hydrostatique exercée par l'eau sur son parement exposé à la retenue d'eau,

- les sous-pressions (Poussée d'Archimède), exercées par l'eau percolant dans le corps du barrage ou la fondation,

- les éventuelles forces causées par l'accélération sismique.

Pour résister à ces forces, deux stratégies sont utilisées :

1- construire un ouvrage suffisamment massif pour résister par son simple poids, qu'il soit rigide (barrage-poids en béton) ou souple (barrage en remblai),

2- construire un barrage capable de reporter ces efforts vers des rives ou une fondation rocheuse résistantes (barrage-voûte, barrage à voûtes multiples, ...).

Eléments de calcul

Un barrage est soumis à une force horizontale liée à la pression exercée par l'eau sur sa surface immergée. La pression hydrostatique p en chaque point est fonction de la hauteur d'eau au-dessus de ce point.

p = ρ x g x h

avec :

ρ : masse volumique de l'eau, environ 1000 kg.m-3

g : gravitation, environ 10 m.s^-2

h : hauteur d'eau au-dessus du point considéré.

La force F résultante est la somme des pressions hydrostatiques s'exerçant sur la surface immergée du barrage.

F =

Cette formule ne s'intègre pas "à la main" pour les barrages à géométrie compliquée. En revanche, une expression analytique peut être obtenue pour un élément de barrage poids (un "plot", de largeur L, et de hauteur immergée constante H).

F = ρ.g.L

avec :

H: hauteur totale du barrage en contact avec l'eau.

L: largeur totale du plot considéré.

d'où :

F = ρ . g . L . 1/2 . H²

On voit dans cette formule que la poussée exercée par l'eau sur un barrage augmente avec le carré de la hauteur de la retenue (ce qui est vrai pour tout type de barrage). Elle ne dépend en aucun cas du volume d'eau stocké dans la retenue.

Les calculs ci-dessus ne concernent que les barrages en matériaux rigides (béton, maçonnerie, ...), quelle que soit leur type (poids, voute, contreforts, ...). En revanche l'intégration "par plots" ne peut concerner que les barrages de type "poids" ou "contreforts". Pour les voutes, les efforts étant reportés latéralement, un calcul par plot ne prenant en compte que les forces verticales ne s'applique pas. En revanche, en ce qui concerne les barrages en matériaux meubles (sol, terre, enrochements, remblais, ...), les calculs sont apparentés à des calculs de stabilité de pente des talus qui doivent prendre en compte l'état saturé ou non de ces remblais.

Études hydrauliques

En hydraulique le modèle réduit est très utilisé pour les études de mécanique des fluides des ouvrages tels que ports, digues, barrages, etc... On utilise dans ces cas-là la vraisemblance du nombre de Froude.

Barrage poids

Un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages de formes généralement simples, dont la section s'apparente bien souvent à un triangle rectangle. Ils sont généralement assez épais.

On compte deux grandes familles de barrages-poids, les barrages poids-béton, et les barrages en remblais (ces derniers n'étant d'ailleurs généralement pas qualifiés de barrage-poids, mais de barrage en remblais).

Même si les barrages voûtes ou à contrefort nécessitent moins de matériaux que les barrages poids, ces derniers sont encore très utilisés de nos jours. Le barrage-poids en béton est choisi lorsque le rocher du site (vallée, rives) est suffisamment résistant pour supporter un tel ouvrage (sinon, on recourt aux barrages en remblais), et lorsque les conditions pour construire un barrage voûte ne sont pas réunies (cf. ci-dessous). Le choix de la technique est donc d'abord géologique : il faut une assez bonne fondation rocheuse. Mais il faut également disposer des matériaux de construction (granulats, ciment) à proximité.

La technologie des barrages-poids a évolué. Jusqu'au début du XXème siècle (1920-1930), les barrages poids étaient construits en maçonnerie (il existe beaucoup de barrages de ce type en France, notamment pour l'alimentation en eau des voies navigables).

Ensuite, c'est le béton conventionnel qui s'est imposé.

Depuis l' année 1978, une nouvelle technique s'est substituée au béton conventionnel. Il s'agit du Béton Compacté au Rouleau. C'est un béton (granulats, sable, ciment, eau) avec peu d'eau, qui a une consistance granulaire et pas liquide. Il se met en place comme un remblai, avec des engins de terrassements. L'avantage : beaucoup moins cher que le béton classique.

Le barrage de la Grande-Dixence en Suisse est un barrage-poids.

Barrage voûte

La poussée de l’eau est reportée sur les flancs de la vallée au moyen d'un mur de béton arqué horizontalement, et parfois verticalement (on la qualifie alors de voûte à "double courbure").

La technique de barrage-voûte nécessite une vallée plutôt étroite (même si des barrages voûtes ont été parfois construits dans des vallées assez larges, poussant cette technologie à ses limites) et un bon rocher de fondation. Même lorsque ces conditions sont réunies, le barrage-voûte est aujourd'hui souvent concurrencé par les barrages-poids en béton ou le barrage en enrochements, dont la mise en œuvre peut être davantage mécanisée.

Par le peu de matière utilisée, c'est évidemment une technique très satisfaisante économiquement.

Cependant, la plus grande catastrophe de barrage vécue en France (Malpasset, au dessus de Fréjus, le 2 décembre 1959) concernait un barrage-voûte en cours de mise en eau ; c'est la fondation (et non pas le barrage lui-même) qui n'a pas supporté les efforts appliqués par la retenue.

Avant cet accident (et, pour certains, aujourd'hui encore), la voûte est considérée comme le plus sûr des barrages. Malpasset est le seul cas connu de rupture d'un barrage-voûte.

On rencontre aussi des barrages avec plusieurs voûtes comme le barrage de l'Hongrin en Suisse.

Barrage contreforts ou multivoûtes

Lorsque les appuis sont trop distants, ou lorsque le matériau local est tellement compact qu'une extraction s'avère presque impossible, la technique du barrage à contreforts permet de réaliser un barrage à grande économie de matériaux.

Le mur plat ou multivoûtes (Vézins, Migoëlou ou Bissorte) en béton s’appuie sur des contreforts en béton armé encastrés dans la fondation, qui reportent la poussée de l’eau sur les fondations inférieures et sur les rives.

Barrages mobiles

Le barrage mobile ou à niveau constant, a une hauteur limitée ; il est généralement édifié en aval du cours des rivières, de préférence à l’endroit où la pente est la plus faible. On utilise généralement ce type de barrage dans l’aménagement des estuaires et des deltas.

Selon le type de construction le barrage mobile peut-être :

• Le barrage à aiguilles, crée par l’ingénieur Charles Poirée en 1834 qui, s’inspirant des anciens pertuis, étendit le système sur toute la largeur du cours ; améliorant considérablement la navigation fluviale dés la moitié du XIX siècle.

Le système Poiré consiste en un rideau de madriers mis verticalement côte à côte barrant le lit du fleuve. Ces madriers ou aiguilles d’une section de 8 à 10 cm et longues de 2 à 4 m, selon les barrages, viennent s’appuyer contre un butoir (ou heurtoir) du radier (sur le fond) et sur une passerelle métallique constituée de fermettes. Ces fermettes peuvent pivoter pour s’effacer sur le fond en cas de crue et laisser le libre passage aux eaux. Les fermettes sont reliées entre elles par une barre d’appui qui retient les aiguilles et une barre de réunion, de plus elles constitue la passerelle de manœuvre. Les aiguilles à leur sommet présente une forme qui permet une saisie aisée. Néanmoins c’est un travail fastidieux, long et dangereux (il faut plusieurs heures à plusieurs hommes pour mener à bien la tâche). Bien que ce type de barrage soit remplacé par des techniques plus modernes et automatiques ; sur certains barrages encore existants, les aiguilles de bois sont remplacées par des aiguilles en aluminium remplies de polystyrène (pour la flottabilité en cas de chute dans la rivière), d’un poids bien moindre et plus facilement manœuvrable.

• A effacement sur le fond de la rivière (seuil (barrage)) pour permettre l’écoulement total ou en position intermédiaire pour créer un déversoir.

• A battant ou porte à axe vertical, comme le barrages moderne hollandais de (Maeslantkering), ou les portes à la Léonard de Vinci fermant le port-canal de Cesenatico pour empêcher les fortes marées d’envahir les terres.

• A battant à axe horizontal avec possibilité d’échapper en aérien lorsque le débit devient critique, ce qui évite de constituer un obstacle à l'écoulement des eaux en temps de crue. Ce type de barrage est généralement employé pour empêcher l'eau salée de remonter l'estuaire, comme à Volta Scirocco en Italie.

- La partie fixe correspond à une plate-forme (ou radier) étanche. - Une grande vanne à secteur, qui en position de fermeture totale détermine un battant qui s’appuie sur la plate-forme, pendant qu'en position de soulèvement complet, il laisse l'écoulement complètement libre. - Une vanne à volet, montée sur la génératrice supérieure de la vanne à secteur, qui permet de régler l’écoulement dans le déversoir et le niveau d’eau désiré en amont du barrage.

L'écoulement de l'eau peut se produire par le dessous du battant lorsque la vanne à secteur inférieure est soulevée (ce qui permet aussi de nettoyer la surface de la plate-forme) , ou bien par le dessus en déversoir, lorsque la vanne supérieure à volet est abaissée.

Barrage en remblais

On appelle barrages en remblais tous les barrages constitués d'un matériau meuble, qu'il soit très fin (argile) ou très grossier (enrochements).

Cette famille regroupe plusieurs catégories, très différentes. Les différences proviennent des types de matériaux utilisés, et de la méthode employée pour assurer l'étanchéité.

Le barrage homogène est un barrage en remblai construit avec un matériau suffisamment étanche (argile, limon). C'est la technique la plus ancienne de barrages en remblai.

Le barrage à noyau argileux comporte un noyau central en argile (qui assure l'étanchéité), épaulé par des recharges constituées de matériaux plus perméables. Cette technique possède au moins deux avantages sur les barrage homogène : (1) les matériaux de recharge sont plus résistants que les matériaux argileux, on peut donc construire des talus plus raides et (2) on contrôle mieux les écoulements qui percolent dans le corps du barrage.

Quelques cousins des barrages à noyau : les barrages en remblai à paroi centrale étanche (paroi moulée en béton, paroi en béton bitumineux).

Plus récente, la famille des barrages à masque amont. L'étanchéité est assuré par un "masque", construit sur le parement amont du barrage. Ce masque peut être en béton armé (il se construit actuellement de nombreux et très grands barrages en enrochements à masque en béton armé), en béton bitumineux, ou constitué d'une membrane mince (les plus fréquentes : membrane PVC, membrane bitumineuse).

Le barrage de Mattmark en Suisse est un exemple de ce type de barrage. En France, le barrage de Serre-Ponçon (deuxième plus grande retenue d'Europe) est un barrage en remblai.

D'autres barrages

Il existe d'autres catégories de barrages, de taille généralement plus réduite (mais pas toujours).

Les barrages de stériles miniers sont des barrages construits avec des résidus d'exploitation minière, pour créer une zone de stockage de ces stériles. Les barrages sont montés au fur et à mesure de l'exploitation de la mine. Ils s'apparentent aux barrages en remblai.

Les barrages de montagne sont des ouvrages destinés à lutter contre les effets de l'érosion torrentielle. Ce sont des ouvrages construits en travers des torrents. Ils peuvent interrompre (partiellement ou complètement) le transport solide ; ils peuvent également fixer le profil en long d'un thalweg en diminuant l'agressivité des écoulements.

Vie des barrages

Entretien des barrages

Un barrage n'est pas un simple mur plus ou moins solide. Il n'est pas inerte et fait l'objet surveillance sismologique et technique sous plusieurs critères. L'ouvrage vit, travaille et se fatigue en fonction des efforts auxquels il est soumis.

Pour des raisons de maintenance des ouvrages, les barrages sont régulièrement inspectés. Chaque année, l'aspect extérieur du barrage est examiné, et périodiquement (tous les 10 ans en France) la retenue d'eau est vidée afin de permettre l'accès à la fois à la partie inférieure de l'ouvrage et aux équipements (conduites d'eau, grilles, vannes, etc ...).

Les ouvrages intéressants la sécurité publique sont également auscultés, par des capteurs permettant de mesurer leurs comportements (mesures de déplacements, de pression d'eau, de débit, ...). De son état dépend la sécurité des populations installées en aval.

Pour autant la probabilité de rupture est extrèmement faible : statistiquement, une rupture par an sur un parc mondial de 16 000 barrages, Chine exclue. En Europe, la probabilité est encore plus basse. En fait le danger est le plus élevé au moment du premier remplissage, le risque étant cependant bien moins élevé pour les ouvrages en béton que pour ceux en remblais.

En France, les barrages construits dans les Alpes, dans les années 1950 et 1960, au plus fort de l'âge d'or de la houille blanche, sont aujourd'hui parvenus dans une phase de vieillissement qui nécessite des frais de maintenance de plus en plus élevés. EDF estime que la plupart des ouvrages hydrauliques atteignent seulement la moitié de leur espérance de vie mais a annoncé un important programme d'investissements pour la maintenance et la réhabilitation.

Catastrophes

Un défaut de conception ou d'entretien peut conduire à une catastrophe : si le barrage cède alors que la retenue d'eau est relativement importante, un raz-de-marée peut déferler sur les populations vivant en aval, plus ou moins canalisé par la topographie du cours d'eau sur lequel le barrage était implanté. (voir l'article Catastrophe). En France, une telle catastrophe a eu lieu en 1959 près de Fréjus, au Barrage de Malpasset.

Le film La Folie des hommes (2001), relate les déboires du Barrage de Vajont, en Italie, au début des années 1960. Tiré d'un fait réel, le film montre les causes et l'enchaînement des événements qui conduisirent à un glissement de terrain de 270 millions de mètres cubes dans les eaux du lac de retenue du barrage. La vague gigantesque qui s'ensuivit fit 2 000 victimes, le 9 octobre 1963.

Séismes

Les séismes font partie des événements susceptibles de nuire à la stabilité des barrages.

Cependant, historiquement, les ruptures causées par des séismes sont très peu nombreuses. Les crues ou les défauts de conception ont cassé beaucoup plus de barrages que les séismes.

Les ruptures les plus fréquentes ont concerné des ouvrages en remblai de taille modérée, construits avec des matériaux sableux ou silteux, ou fondés sur des sols de cette nature ; il peut en effet se développer dans ce cas un phénomène appelé liquéfaction, qui fait perdre toute résistance au sable ou au silt saturé.

Démantèlement des barrages

Pour permettre aux écosystèmes fluviaux de fonctionner à nouveau correctement, un certain nombre de barrages sont démantelés dans le monde. En France, le barrage de Poutès (Haute-Loire) pourrait être le premier à être démantelé. Non le premier à être démantelé, c'est celui de Kernansquillec à Plounévez-Moëdec dans les Côtes d'Armor."En 1996, la démolition du barrage hydro-électrique, une première en France sur une rivière à saumons, a permis au paysage englouti de refaire surface" Source http://www.riviere-du-leguer.com/pdf/35-LES_MOULINS_REMARQUABLES.pdf.

Conséquences environnementales

Un barrage peut empêcher la migration d'espèces aquatiques entre l'amont et l'aval : obligatoire dans certains pays depuis quelques années sur les ouvrages neufs, les échelles à poissons ne sont pas toujours présentes, en particulier pour les ouvrages anciens. De plus, certaines échelles à poissons mal construites peuvent se révéler peu efficaces.

L'écosystème d'une zone importante est affecté lors de la mise en place d'un barrage en raison de l'inondation de la zone en amont, de la modification du régime d'écoulement des eaux de la zone en aval et de la modification de la qualité des eaux provoquée par la retenue. Un écosystème naturel et équilibré se reconstitue dans ces zones plus ou moins rapidement (en l'espace d'environ 30 ans, l'écosystème serait recréé à 99 %^{[réf. nécessaire]}, ceci incluant les anciennes zones asséchées). Néanmoins, s'il est vrai qu'un écosystème se recrée, il n'est jamais identique à celui d'origine : la disparition des courants en amont, et la très forte diminution du débit en aval, provoque généralement la disparition de certaines espèces autochtones. Au contraire, un lac de barrage peut avoir également des effets positifs : accueil d'oiseaux migrateurs, ou encore, dans certains cas, amélioration des conditions d'écoulement en étiage.

Le saviez vous ?

• Le plus ancien barrage connu, d'une longueur de 115 m, fut construit dans la vallée de Garawi en Égypte vers 3000 av. J.C.
• Dès 560 ap J.C., l'historien byzantin Procope de Césarée faisait mention d'un barrage-voûte en amont en maçonnerie (barrage de Daras).
• Le premier barrage-voûte moderne fut construit par François Zola, père d'Émile Zola, entre 1843 et 1859 près d'Aix-en-Provence.
• Au XVI^e siècle, les Espagnols réalisèrent de grands barrages en maçonnerie. Le plus remarquable fut celui d'Alicante construit en 1594. Haut de 45 m, il est encore utilisé.

Bibliographie

• Rios, Jorge L. Paes - " Études en modèles réduits du déversoir de l' Usine de Tucuruí " - in Congrès International des Grands Barrages " - - ICOLD - San Francisco, 1986.

• Un grand barrage démantelé en France ? article de Martin Arnould du WWF, L'Ecologiste n°20, sept-oct-nov. 2006, p. 8