AC_Chap.1-2-3.pdf

ÉC OLE POLY TEC HNIQUE
FÉDÉRALE D E LAUSANNE
Laboratoire de constructions hydrauliques
Aménagements de cours d’eau
Aménagements des cours d’eau
Aménagements des cours d’eau

Aménagements de cours d’eau - Contenu
Aménagements de cours d’eau - Contenu
1. Approche au problème de la protection contre les crues et
concepts
2. Espace vital nécessaire des cours d’eau
3. Importance du charriage pour la protection contre les crues
4. Interaction de l’écoulement avec la végétation riveraine
5. Mesures conceptuelles pour la protection contre les crues
6. Conception et dimensionnement des mesures de protection
constructives

Inondations du 21 au 23 août 2005
Inondations du 21 au 23 août 2005

Aménagements de cours d’eau 2005=2,5 milliards
L‘échec de la politique de protection contre les crues ?

Investionen im Bereich Hochwasserschutz seit 1970
0
50'000'000
100'000'000
150'000'000
200'000'000
250'000'000
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Jahr
Jährliche
Investitionen
[Fr.]
0
500'000'000
1'000'000'000
1'500'000'000
2'000'000'000
2'500'000'000
3'000'000'000
3'500'000'000
4'000'000'000
4'500'000'000
5'000'000'000
Summe
der
Bundesbeiträge
/
Baukosten
[Fr.]
Baukosten
Bundesbeiträge
Summe Baukosten
Summe Bundesbeiträge
1987

Minimisation
Approche au problème de la protection contre les crues et concepts
Approche au problème de la protection contre les crues et concepts
z Analyse de dangers
z Différenciation des
objectifs de protection
z Planification des mesures
de protection
z Limitation du risque restant
Construction d'un aménagement
de cours d'eau
Augmentation de la sécurité
en cas de crues
Atteintes subies par le cours d'eau
Effets nuisibles

Analyse de dangers
Analyse de dangers
Processus
Déroulement
Solution appropriée
et adaptée à la situation
Connaissance
approfondie
d'un danger
Effet
Conception et
dimensionnement
des ouvrages de
protection
Sécurité

Processus dangereux en cas de crues et de laves torrentielles
Processus dangereux en cas de crues et de laves torrentielles
Analyse de
dangers
Eau
Erosion
Dépôts des
matériaux
solides
Laves
torrentielles
Inondation
Processus
déterminants
C
harriage Corps
flottants

Processus dangereux - érosion
Processus dangereux - érosion
ÖErosion verticale: changement de la pente du lit du cours d'eau
- affouillement des ouvrages de protection
- affouillement des fondations des infrastructures
(ponts, etc.)
ÖErosion latérale: élargissement du cours d'eau
- glissement des rives
- dommages aux bâtiments et aux ouvrages
d'infrastructure situés à proximité
L'érosion influence fortement la capacité du
transport solide d'un cours d'eau

Processus dangereux - inondation
Processus dangereux - inondation
Excédant d'eau
et / ou
excédent de charriage
Inondations
Inondations
faibles
Inondations
dangereuses
H < 1.5 m
V · H < 0.5 m2/s
V · H > 0.5 m2/s
Dépôt des matériaux solides
dans les zones d'inondation

Différenciation entre les objectifs de protection
Différenciation entre les objectifs de protection

Différenciation des objectifs de protection en considérant les scénarios de
charriage pour le débit de dimensionnement
Différenciation des objectifs de protection en considérant les scénarios de
charriage pour le débit de dimensionnement
Catégories
d'objets
Débit de
dimensionnement
Eau
Charriage
Hydrologie des crues
• Pointe
• Volume
Scénario de charriage
• Capacité de transport
• Potentiel de charriage
Limite des
dommages Limite des dangers

Démarche suivie dans la planification des mesures de protection
Démarche suivie dans la planification des mesures de protection

Mesures de protection
Mesures de protection
Ö vidange des dépotoirs
Ö enlèvement de dépôts
alluvionnaires
Ö réparation de petits dommages
subis par des ouvrage de
correction
Ö stabilisation, par drainage et
techniques du génie biologique,
des versants instables
Ö interdiction de construire dans des
zones dangereuses
Ö mesures visant à protéger un objet
donné
Ö prescriptions en matière de mise
en culture de zones agricoles
Entretien approprié des
cours d'eau
Mesures d'aménagement
du territoire

15 % des cartes
de dangers liés
aux crues sont
prises en
compte dans
l‘aménagement
du territoire
80% des
communes
sont menacées
50% établies
ou en cours
d‘élaboration
Cartes des dangers
Cartes des dangers

Mesures de protection constructives
Rétention Dérivation Passage
Š bassin de rétention
Š réservoir à maîtrise
des crues
Š régulation des
lacs naturels
Š canaux et galeries
de dérivation
Š ouvrages de
dérivation
Š ouvrages de
restitution
Š endiguement
Š abaissement du
lit
Š protection des
rives et du lit
contre érosion
(enrochement, etc.)
Š correction du
tracée
CRUES

Principes visant à réduire les effets nuisibles des mesures
constructives de protection
Principes visant à réduire les effets nuisibles des mesures
constructives de protection
a) Préservation du caractère naturel d'un cours d'eau
b) Configuration naturelle et animée des ouvrages de protection et les
lignes de rive
c) Murs de protection seulement là où ils sont indispensables
d) Renoncement aux seuils fixes
e) Abandon de la modification du lit
f) Ouvrages de protection flexibles
g) Standard de protection différencié pour les rives intérieures et
extérieures dans des tronçons courbés
h) Allégement de la plantation des arbustes et arbres
i) Garantie d'accès aux cours d'eau et son entretien

Nouveaux concepts et principes pour la protection contre les
crues des cours d’eau selon les directives de l’OFEG en Suisse
Æ Loi fédérale sur l’aménagement des cours d’eau (LACE)
Æ Ordonnance correspondante (OACE)
Æ « La protection contre les crues doit être réalisée avec un minimum
d’atteintes aux cours d’eau et une grande importance doit être accordée
à la prévention. Cependant, malgré toutes les mesures préventives, un
plan d’urgence approprié et une organisation en cas d’urgence restent
incontournables ».
Bases légales :
Priorité :

Aspects
économiques
Aspects
sociaux
Aspects
écologiques
Stratégie
Confédération 1995 Exigences vis à vis de la
protection contre les crues
1997 Recommandations sur les
dangers de l‘eau
Stratégie OFEV
Tous les aspects du développement durable
doivent être pris en compte dans la
planification des mesures

Æ Apprécier la situation de danger
Æ Identifier les déficits écologiques et y remédier
Æ Différencier les buts de protection
Æ Retenir où cela est possible; évacuer si cela est nécessaire
Æ Minimiser les interventions
Æ Examiner les points faibles
Æ Garantir l’entretien
Æ Assurer l’espace nécessaire
Æ Respecter les besoins

Démarche intégrée pour la protection contre les crues
Démarche intégrée pour la protection contre les crues

Définition des besoins d’action
Définition des besoins d’action
Sécurité
Écologie

Str
uc
tur
e
mo
no
ton
e
Pas de dynamique
Manque de végétation Espace vital limité
Pas d’espace loisirs
Espace limité pour év. extrêmes
Problèmes actuels du point de vue de l’écologie
Problèmes actuels du point de vue de l’écologie

—
— cours d‘eau naturel
cours d‘eau naturel
—
— cours d‘eau naturel
cours d‘eau naturel
de montagne
de montagne
—
— cours d‘eau corrigé
cours d‘eau corrigé
Etat des cours d’eau en Suisse à la fin du 20ème siecle
Etat des cours d’eau en Suisse à la fin
fin du 20ème
du 20ème siecle
siecle

Les surfaces construites croissent de 1 m2 / s !
L'espace disponible des cours d’eau est réduit
L'espace disponible des cours d’eau est réduit

Pour répondre aux exigences écologiques (plus de
l’espace pour les cours d’eau) en Suisse manquent
env. 50’000 ha
Revitalisation des cours d’eau: Besoins d’action
Revitalisation des cours d’eau: Besoins d’action
En Suisse 12‘600 km des cours d‘eau sont artificiels ou
fortement influencés par des mesures de protection !!!
La tâche d'une génération
La tâche d'une génération

Ordonnance sur l'aménagement des cours d'eau (OACE)
Ordonnance sur l'aménagement des cours d'eau (OACE)
1 Les cantons désignent les zones dangereuses.
2 Ils déterminent l'espace minimal des cours d'eau
nécessaire à la protection contre les crues et à la
préservation des fonctions écologiques.
3 Ils tiennent compte des zones dangereuses et
des besoins d'espace dans leurs plans directeurs
et dans leurs plans d'affectation …
Article 21:

Déterminer l’espace nécessaire des cours d’eau
Déterminer l’espace nécessaire des cours d’eau

suffisant
suffisant
non
non suffisant
suffisant
Espace …
Espace …

Espace vital des cours d'eau
Espace vital des cours d'eau
Lit majeur
Lit mineur
Zone de rive
Zone de divagation
Zone de tampon
Berge
Lit du cours d'eau
Espace primaire
Espace
secondaire
Zone de
bord
Niveau de crue
Section d'évacuation
Profondeur du lit
Zone de rétention et d'inondation
Espace vital du cours d'eau
Terrain environnant
Lit mineur Berge
Zone de rive

Concept "Espace vital du cours d'eau"
Concept "Espace vital du cours d'eau"
· L'utilisation doit toujours rester possible.
· La demande d'une protection contre les
crues est mise en valeur.
· Des mesures constructives dans l'espace
du cours d'eau peuvent être nécessaires
pour la protection de bâtiments ou d'autres
objets importants (protection locale).
· L'agriculture peut toujours utiliser l'espace
secondaire, mais de manière adéquate.
· L'excavation, l'exploitation de sédiments
est autorisée si elle sert à la protection
contre les crues.
· Le bilan du transport de sédiments doit rester le plus naturel
possible, sauf si des mesures de protection nécessitent une
excavation/exploitation de sédiments.
· Les cours d'eau doivent garder l'espace nécessaire pour un dévelop-
pement naturel ou proche de la nature (protection du cours d'eau).
· Des constructions à l'intérieur de l'espace du cours
d'eau ne sont plus autorisées.
· Le lit principal devrait être continu pour permettre la vie à sa faune
aquatique (continuité longitudinale) pour autant que cela corresponde
à son état naturel.
Les obstacles fixes doivent être franchissables.
· Le cours d'eau doit être entouré d'arbres ou de végétation naturelle de
rive et être ombragé dans la plupart des cas.
· La végétation du cours d'eau, spécialement la végétation des rives
doit être capable de se développer de manière naturelle.
· L'apport de bois morts est souhaitable pour autant que le risque
d'obstruction soit éliminé.
Les mesures d'entretien sont limitées au minimum.
La demande d'utilisation de l'homme
dans l'espace du cours d'eau est
reconnue
La demande d'espace du cours d'eau est reconnue
L'espace minimal déterminé du cours d'eau définit l'espace nécessaire pour une forme et un développement
naturel du cours d'eau en garantissant ainsi la possibilité de préserver des fonctions vitales du cours d'eau

Méthodes de détermination de l'espace vital
Méthodes de détermination de l'espace vital
Approche quantitative
Attribution des fonctions aux différentes zones d'un cours d'eau
Lit du cours Zone de Zones
d'eau rive supplémentaires
Fonction de
transport
Fonction de biotope
et de paysage
Fonction de
tampon
Fonction de
détente

Î Largeur existante du lit Bsi
Î Largeur empirique du lit Bse
E : surface du bassin versant en [km2]
G : pente moyenne pondérée du
terrain en [%]
N : Précipitations annuelles moyennes
en [mm]
Î Largeur hydraulique du lit Bsh
Î Bs = max (Bsi, Bse,Bsh)
Détermination de la largeur minimale du lit d'un cours d'eau
Détermination de la largeur minimale du lit d'un cours d'eau
]
[km
10
E
pour
[m];
E
.
G
N
.
B
]
[km
10
E
pour
[m];
.
E
G
N
.
B
2
.
se
2
.
se
≤
⋅
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
⋅
⋅
=
>
+
⋅
⋅
⋅
=
−
−
25
0
10
876
0
5
2
10
876
0
9
0
5
9
0
5
J
t
K
Q
B
st
s
sh
⋅
⋅
=
3
5 applicable si Bsh > 10 t

Détermination de la zone de rive Bu
Détermination de la zone de rive Bu
Ölargeur existante de la zone des rives (Bui)
Ölargeur empirique de la zone des rives (Bue)
Ölargeur constructive de la zone des rives (Buw) - talus 1 : 2
ÖBu = max (Bui, Bue,Buw)
Détermination de la largeur des rives
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20 25
Largeur du lit du cours d'eau [m]
Largeur
de
la
zone
de
rive
[m]
Espace minimal nécessaire
Biodiversité

Détermination de la largeur de la zone tampon
Détermination de la largeur de la zone de divagation
Détermination de la largeur de la zone de divagation
avec Bpb: largeur de la zone de divagation en [m]
Bse: largeur empirique du lit du cours d'eau en [m]
Bsi: largeur existante du lit du cours d'eau en [m]
si
se
pb B
B
.
B −
⋅
= 6
5
Détermination de la largeur de la zone de détente
Î généralement 3 m (chemin d'entretien)
Bpz > 20 à 35 m (habituellement), 45 m (au maximum)

Espace vital nécessaire du cours d'eau en fonction de la
variabilité de sa largeur
Espace vital nécessaire du cours d'eau en fonction de la
variabilité de sa largeur
Espace vital nécessaire d'un cours d'eau
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15
Largeur du lit du cours d'eau [m]
Espace
total
nécessaire
[m]
absente
limitée
prononcée
Variabilité de la largeur du
lit du cours d'eau

Espace minimal pour le cours d'eau
Espace minimal pour le cours d'eau
Du point de vue de la protection contre les crues
HQ
Berge
Largeur du lit
Berge Bordure
Entretien /
Zone tampon
Zone riveraine
3m 1:2 3m
1:2

Espace minimal recommandé pour le cours d'eau
Espace minimal recommandé pour le cours d'eau
Point de vue environnemental
Largeur naturelle du
lit
Zone riveraine selon le
diagramme
Zone riveraine selon le
diagramme

La largeur de la bande de divagation représente
environ 5 - 6 fois la largeur du lit naturel
Zone
riveraine
Espace récréatif
Bande de
divagation
Bande de divagation
Bande de divagation

•0
•2
•4
•6
•8
•10
•12
•14
•16
•0 •1 •2 •3 •4 •5 •6 •7 •8 •9 •10 •11 •12 •13 •14 •15 •16 •17 •18 •19 •20
•Largeur naturelle (m)•)
•Largeur
de
la
zone
riveraine
(m)
Largeur minimale
Espace minimal: relations déterminantes
Espace minimal: relations déterminantes
Largeur respectant la biodiversité

Revitalisation de la Thur
au Canton de Zurich
Revitalisation de la Thur
au Canton de Zurich
Elargissement

Revitalisation de la
Thur au Canton de
Zurich
Revitalisation de la
Thur au Canton de
Zurich
Elargissement

Importance du charriage pour la protection contre les crues
Importance du charriage pour la protection contre les crues
La force impitoyable
du charriage

Interaction de l’écoulement avec le charriage
Loi de frottement et vitesse de l’écoulement
Loi de frottement et vitesse de l’écoulement
• Loi de frottement empirique selon la distribution
logarithmique
avec
• Loi de frottement de Strickler
avec
vm = ghJ' 2.5 ln 12.27
h
2d90
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
J' = J 1- e
-0.02h
d90 J
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
vm = kst h2/3
J1/2
kst =
21.1
d90
6

L’effet des parois (rives) pour les canaux étroits
L’effet des parois (rives) pour les canaux étroits
• Rayon hydraulique des surfaces partielles
proches des rives
selon Strickler
• Surface effective pour le calcul du débit
Rui =
vm
kuiJ
1
2
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
1.5
Aeff = RSBF + RuiPui
( )
∑ = Q/vm

Capacité de transport du charriage
Capacité de transport du charriage
• Formule VAW (Smart&Jäggi) pour pentes de lit entre 1‰ et 20%
avec
Qb = BF ⋅ ρs ⋅ 2.5 ⋅ RS ⋅ vm ⋅ J0.6
J -
dm
12.1⋅ Rs
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
θcr = 0.05
ρs
ρw
= s = 2.65 qb = 2.5 ⋅ q ⋅ J0.6
J -
dm
12.1⋅ hm
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
en [
en [m
m3
3/sm
/sm]
]

• Erosion de
la couche
de pavage
Erosion de la couche de pavage
Capacité de transport
du charriage
Début
du
charriage
Débit
solide
Débit d’eau Q
QD
Q0
Qb
Erosion de la couche de pavage
du charriage
Début
du
charriage
Débit
solide
Débit d’eau Q
QD
Q0
Qb
Qb
hD =
0.05 s −1
( )dm
J
dmD
dm
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
2
3
selon Günter
(1971)

du charriage
Profondeur d’eau h
Pente J
Diamètre caractéristique
des grains dm
Largeur du lit
Forme du lit
Rivières
naturelles
Rivières
canalisées
Alluvionnement Erosion
Qbu = Qbo
Equilibre
dynamique
Qbu < Qbo Qbu > Qbo
Qbu
du charriage
Profondeur d’eau h
Pente J
Diamètre caractéristique
des grains dm
Largeur du lit
Forme du lit
Rivières
naturelles
Rivières
canalisées
Alluvionnement
Alluvionnement Erosion
Qbu = Qbo
Equilibre
dynamique
Qbu < Qbo Qbu > Qbo
Qbu

Capacité
de
transport
Q
b
Pente
J
J, Q = constant
Valeur limite
Largeur du lit BF
BF
Qb, Q = constant
Bopt
Bopt
Jmin
Qb max
Valeur limite
Largeur du lit
Capacité
de
transport
Q
b
Pente
J
J, Q = constant
Valeur limite
Largeur du lit BF
BF
Qb, Q = constant
Bopt
Bopt
Jmin
Qb max
Valeur limite
Largeur du lit
Capacité de
transport Qb
Pente J

Rivières larges avec bancs de sable
Rivières larges avec bancs de sable ou
ou rivières à lits multiples
rivières à lits multiples
(en tresse)
(en tresse)
• Capacité de transport selon Zarn
où
Qb
= Qbmax
3.65e-8.86U
- 4e-1.5U
+ 0.35
( )
U =
BF
Bopt
Qbmax
= QB
(Bopt
)

Phénomènes locaux
Phénomènes locaux
• Affouillement
• Dépôts/bancs stationnaires

Augmentation de la profondeur d’eau suite
Augmentation de la profondeur d’eau suite
à une concentration importante de charriage
à une concentration importante de charriage
• Augmentation considérable du niveau d’eau
pour des pentes raides (> 5%)
Smart&Jäggi, 1983
• Laves torrentielles à partir des pentes de 20%
hmw
hmg
=1−1.1⋅ J1.14
qB
0.18
dm
−0.27

Analyse de danger et charriage – Processus déterminants
Analyse de danger et charriage – Processus déterminants
Analyse de
dangers
Eau
Erosion
Dépôts des
matériaux
solides
Laves
torrentielles
Inondation
Processus
déterminants
C
harriage
Corps
flottants

Analyse de danger et charriage – Erosion
Analyse de danger et charriage – Erosion
• Erosion verticale Ã Changement de la pente du lit et de la capacité
de transport
• Erosion latérale Ã Elargissement de la rivière et réduction de la
capacité de transport

Analyse de danger et charriage – Erosion latérale
Analyse de danger et charriage – Erosion latérale

Analyse de danger et charriage – Inondations
Analyse de danger et charriage – Inondations

Analyse de danger et charriage – Dépôts des matériaux solides
Analyse de danger et charriage – Dépôts des matériaux solides

TORRENT
Bassin versant
Cône de déjection
Rivière
en plaine
Versant
Injection des
sédiments
Dépôt des sédiments
Replacement des
sédiments
Livreuse des
sédiments
Formation des
sédiments
Réseau du ruisseau
Zone de glissement

TORRENT
Bassin versant
Cône de
déjection
Rivière
en plaine
Versant

Analyse de danger et charriage
Changement abrupt des pentes et sections critiques
Analyse de danger et charriage
Changement abrupt des pentes et sections critiques
Zone d’érosion
(tronçon d’alimentation)
Tronçon raide Cône d’alluvions
(rocheux)
Débit
d’eau
Excédent du charriage
V1 - V3
Capacité-
de transport
Apport maximal
V1
V2
V3
Alluvionnement du lit

Analyse de danger et charriage – Laves torrentielles
Analyse de danger et charriage – Laves torrentielles

Objectifs de protection
Objectifs de protection
Catégories
d'objets
Débit de
dimensionnement
Eau
Charriage
Hydrologie des crues
• Pointe
• Volume
Scénario de charriage
• Capacité de transport
• Potentiel de charriage
Limite des
dommages Limite des dangers

Objectifs de protection – Début du charriage
Objectifs de protection – Début du charriage
• Nettoyage/lavage des dépôts du lit:
par rapport à la granulométrie du lit, les dépôts sont composés de
matériaux relativement fins déposés lors de la decrue
• Erosion verticale:
érosion de la couche de pavage et mouvements de gros blocs
• Erosion latérale:
Déstabilisation des rives et talus
• Apport des confluents:
par transport du charriage et laves torrentielles
• Rupture des ouvrages de protection:
mobilisation abrupte des matériaux solides suite à la rupture des
barrages en torrent

Planification des mesures
Entretien des cours d’eau
Mesures d’aménagement
du territoire
Mesures de
protection
constructives

Planification des mesures – Entretien du cours d’eau
Planification des mesures – Entretien du cours d’eau
• Réduction des sources de dépôts solides,
maintien de la capacité de transport du cours d’eau
et volume des dépotoirs
- Vidanges réguliers des dépotoirs
- Dragage des dépôts locaux et dangereux
- Réparation des dégâts d’érosion aux ouvrages de protection
- Stabilisation des sources de dépôts solides par drainages et génie
biologique (éboulements)

Mesures d’aménagement du territoire
Mesures d’aménagement du territoire

ÖRétention
ÖDéviation du charriage
ÖTransition

Planification des mesures – Rétention du charriage
Planification des mesures – Rétention du charriage
• Stabilisation des sources de dépôts solides
• Dépotoirs
• Barrages de retenue
Ö Pas de vidange automatique des dépotoirs
Ö Transition dosée du charriage pas possible

Planification des mesures – Transition du charriage
¿ Les mesures de protection doivent être conçues de telle manière que les
alluvionnements ou érosions dangereux puissent être évités ou limités
¿ Alluvionnement: - Aggrandissement de la section de la rivière
- Augmentation de la capacité de transport
¿ Erosion verticale: - Augmentation de la stabilité/résistence du
lit aux érosions
¿ Erosion latérale: - Protection des rives contre l’érosion

• Section de passage
suffisante
• Favoriser
l’écoulement
en charge
• Profiter de
l’affouillement
en courbe
Problématique
des ponts

Profiler l’affouillement
en courbe

¿ Erosion verticale: - Couche de pavage artificielle (revêtement, gros blocs)
- Seuils (points fixes du lit)
- Rampes de blocs
- Traversées
- Elargissement local du cours d’eau
- Stabilisation avec éléments en béton
(prismes, tétrapodes, etc.)
¿ Erosion latérale: - Enrochements
- Epis
- Murs de protection
- Combinaison avec des mesures de génie biologique
Protection contre les érosions

Destruction des murs
après débordement
Aspects économiques

Coûts par m'
Mur: Fr. 3500.--

Protection des rives en
enrochements Fr. 700.--/m'

Reconstituer des conditions favorables

Exemple
visionnaire

www.bafu.admin.ch
“dangers naturels”

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