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Introduction :

Citation: Définition dictionnaire Larousse

Barrage : n.m. Obstacle artificiel au moyen duquel on coupe un cours d’eau. (Les barrages peuvent servir à la régularisation des voies naviguables, à l’alimentation des villes, à l’irrigation des cultures, à la production d’énergie électrique).

Un peu d’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 développés en Europe pour alimenter 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. 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.

En effet les barrages ont été la première source d’énergie mécanique, permettant de mettre en oeuvre des processus nécessitant une force constante et régulière.

Avec l’apparition de la « houille blanche » au milieu du XIX° siècle, les barrages se sont progressivement transformés en centrales hydro-électriques.

De nos jours, l’énergie hydroélectrique est bien maîtrisée. Les barrages se sont installés dans divers endroits très différents comme le torrent de montagne ou le fleuve. Bien entendu, suivant le lieu d’implantation, les technologies utilisées changent de même que le mode de production d’énergie.

La présentation de ces différents types de barrage est le but de cette série d’article. Aussi, nous parlerons tout aussi bien des moulins « antiques » que des gros barrages installés sur les fleuves, ainsi que des barrages de haute montagne.

Généralité des barrages hydrauliques

Force mis en jeu :

Un barrage est un ouvrage construit en travers d’un cours d’eau qui a pour but de retenir l’eau. Un barrage permet aussi sous certaines conditions, la production d’électricité; on parle alors de barrage hydro-électrique.

La création d’un barrage va créer une retenue d’eau, aussi, on peut se demander comment le barrage arrive-t-il à résister à la pression de l’eau ?

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

• la poussée hydrostatique exercée par l’eau sur la face du barrage exposée à la retenue d’eau ;
• les sous-pressions (poussée d’Archimède), exercées par l’eau pénétrant dans le corps du barrage ou les fondations ;
• les éventuelles forces causées par l’accélération sismique.

Pour résister à ces forces, deux stratégies sont utilisées :

• construire un ouvrage suffisamment massif pour résister par son simple poids, qu’il soit rigide (barrage-poids en béton) ou souple (barrage en remblai) ;
• construire un barrage capable de reporter ces efforts vers des rives ou une fondation rocheuse résistante (barrage-voûte, barrage à voûtes multiples … )

Éléments 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.

Citation:

p = ρ x g x h

avec :
ρ : masse volumique de l’eau, environ 1000 kg.m-3
g : constante de gravitation, g = 9,81 m.s-1
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.

Citation:

F = Somme (p) dS;

Cette formule ne s’intègre pas « à la main » pour les barrages à géométrie complexe. 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).

Citation:

F = ρ.g.L. Somme de 0 à H (h) dh

avec :
H: hauteur totale du barrage en contact avec l’eau.
L: largeur totale du plot considéré.

D’où :

Citation:

F = ρ . g . L . 1/2 . H^2

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, … ), quel que soit leur type (poids, voûte, contreforts … ). En revanche l’intégration par plots ne peut concerner que les barrages de type poids ou contreforts. Pour les voûtes, 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.

Fonctionnement d’un barrage hydroélectrique

Le but des barrages hydroélectriques, est de capter la force motrice de l’eau pour produire de l’électricité.

Nous allons étudier 4 types de barrage hydroélectrique :

• Les moulins
• Les centrales au fil de l’eau
• Les centrales à retenue
• Les centrales de haute montagne
• Les usines marémotrices

Chacun de ces types de barrage fonctionne sur des éléments communs.

Le barrage retient l’eau s’écoulant, créant ainsi une retenue. L’intérêt de cette retenue c’est qu’on peut ensuite canaliser l’eau qui va s’écouler vers un mécanisme de production d’énergie. Le débit s’écoulant sera contrôlé par des vannes.

A la sortie de la conduite, l’eau est projetée sur une turbine dont la forme dépend du type de chute d’eau. Cette turbine est couplée à un alternateur, qui va alors transformer l’énergie mécanique de l’eau en énergie électrique. Un transformateur élève la tension produite par l’alternateur afin qu’elle puisse être facilement transportée dans les lignes à haute et très haute tension du réseau de distribution électrique.

A la sortie de la turbine, l’eau est rejetée dans la rivière. La puissance de l’eau qui fait tourner la turbine, dépend donc du débit, de la hauteur de la chute.

Schéma explicatif du barrage

Le déversoire du lac de barrage du Kaunertal

Le barrage est aussi équipé d’un ensemble de mécanisme pour gérer les trop pleins du réservoire. Lors de grosses pluies, ou si le barrage est fermé pendant un certains temps, le niveau du réservoire monte. A un certain niveau, cette masse d’eau devient dangereuse : le barrage ne peut résister, l’eau peut se déverser à des endroits non prévus … Un tel scénario est heureusement prévut par les trop plein : des canalisations ou des canaux sont construit pour évacueur automatiquement l’eau superflue. Ces trop-pleins sont aussi appelés des déversoirs.

Les centrales hydroélectriques produisent de l’électricité de manière très efficace. En fait, elles convertissent environ 90 % de l’énergie disponible – provenant de l’eau – en électricité. Le rendement des centrales hydroélectriques est plus important que tout autre type de production d’énergie électrique. A titre d’exemple, le rendement d’une centrale nucléaire est inférieur à 40%.