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Digues et berges du Rhin
Ces vidéos ont été mises en place par le Commissariat Général au Développement Durable du ministère du développement durable et organisée par le Service de Navigation de Strasbourg. Centrées sur l'hydrosystème RHIN et ses problématiques, elles se sont déroulées du 17 au 21 mai 2010.
Intervenants :
Guy Rouas - Directeur adjoint de la direction interrégionale de Strasbourg.
Jean-Claude Bury - Responsable du secteur Gambsheim aval.
Patrick Weber - Responsable du secteur Gambsheim amont.
Florent Fever - Chef de la Cellule Affaires Rhénanes VNF Strasbourg.
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Sommaire |
Les digues
"Une digue est une longue construction destinée à contenir les eaux" (Petit Robert, 2004).
Les digues de voies navigables sont des ouvrages anciens dont la constitution est mal connue en raison de la faible quantité d'archives. Elles ont été le plus souvent construites avec les matériaux disponibles sur le site dont la perméabilité n'était pas toujours compatible avec une bonne étanchéité des ouvrages.
Parmi les digues de voies navigables, sont distinguées :
- Celles qui servent à endiguer un fleuve ou une rivière pour garantir un tirant d'eau suffisant pour la navigation des bateaux ;
- Celles qui constituent un canal artificiel qui, selon la topographie des lieux, présentent un profil différent en remblai, en déblai ou en profil mixte.
Au sens du décret du 11 décembre 2007, les digues de voies navigables sont considérées comme des barrages contrairement aux digues de protection qui sont considérées comme des digues.
Aujourd'hui, en raison de ces mauvaises caractéristiques des matériaux et de la vétusté des ouvrages, de nombreux phénomènes de dégradation affectent les digues et peuvent être à l'origine de brèches. Ces brèches, qui ont souvent lieu en milieu rural, provoquent généralement peu de dégâts mais ont des conséquences importantes sur l'exploitation avec l'interruption de la navigation.
Suivant l’ampleur des désordres et leur localisation, sur le corps de l'ouvrage, sur le système de défense des berges ou sur le dispositif d'étanchéité, les réparations de digues consistent souvent à remblayer l’ouvrage, à mettre en place des palplanches, un dispositif d’étanchéité par géomembrane, des enrochements... Les réparations à la suite de brèches ou d'autres désordres tels que le déversement de palplanches ou les fuites sont majoritairement réalisées en urgence et peuvent se révéler non pérennes ou inefficaces et faire ainsi l'objet d'interventions ultérieures programmées ou non.
Ces digues sont constituées de matériaux perméables (sables, graves) ou peu perméables (limons, argiles) et dans le corps de ces ouvrages des zones de discontinuités locales ou des vides sont présents. Généralement, les digues ne possèdent ni véritable noyau argileux, ni dispositif de drainage interne, ni filtre de transition entre matériaux. Pour la majorité des canaux de type Freycinet, l'étanchéité du canal est assurée, lorsque les matériaux ne sont pas naturellement étanches, par un corroi d’argile sur la cuvette et le talus amont de la digue.
Désordres et mécanismes de rupture
Les désordres qui affectent généralement les digues de voies navigables dépendent des sollicitations hydrauliques, de la géométrie et de la composition de la digue, des dispositifs de protection contre le batillage, des dispositifs d'étanchéité et de drainage. Ces désordres se manifestent principalement sous la forme de tassements, de glissement de terrain, de fuites, de fontis de déversement de palplanches, d'anses d'érosion, de renard. Il peut en résulter des brèches partielles ou totales.
D'une manière générale, les mécanismes de rupture qui affectent une digue sont les affouillements, l'érosion de berges, l'érosion interne, l'instabilité d'ensemble et la surverse.
- Les affouillements (et les érosions de berges)
Les affouillements correspondent à l'érosion du pied de berge et se présentent le plus souvent sous forme de niches plus ou moins circulaires avec des parois verticales. Ils peuvent provoquer également, par ruptures successives, la destruction du talus. Cela est du aux sollicitations de l'eau telles que les courants (courants naturels ou induits par la navigation), les vagues (batillage, vent..), l'abaissement du plan d'eau (marnage..), où son exhaussement (crues, onde de proue..).
- L’érosion interne
L'érosion interne est l'entraînement vers l'aval des particules constitutives du remblai ou de la fondation sous l'action d'un écoulement provenant de la retenue ou de la nappe. Elle ne se développe que sous l'action conjuguée de l'arrachement et du transport des particules ou par des phénomènes d'arrachement d'ordres mécanique, physico-chimique ou thermique. Les mécanismes à l'origine
de l'érosion interne sont : l'érosion de contact (à l'interface entre deux couches de sol), l'érosion de conduite (dans une fissure
par exemple), l'érosion régressive (entraînement de matériau qui se déclenche à l'exutoire d'un écoulement d'eau et qui s'auto-entretient jusqu'à déboucher à l'amont), la suffusion (entraînement sélectif, par l'eau en mouvement, des petites particules les plus instables dans les espaces poreux inter-particulaires d'un sol).
- L’instabilité générale - glissement
De par leur morphologie, les digues en remblais ont une bonne stabilité générale dans tous les cas de charge et les ruptures suite à une instabilité d'ensemble de la digue sont rares. Cependant, ce risque d'instabilité générale sous une charge hydraulique importante (montée d'eau) peut exister surtout si le profil de la digue est étroit et la pente du talus forte. Pour les digues de voies navigables, le risque d'instabilité générale est le plus important sur le talus amont lors d'un abaissement rapide du niveau d'eau (décrue, chômage) où l'eau, qui a saturé le corps de digue et modifié les caractéristiques mécaniques du massif, peut engendrer des sous-pressions au niveau du parement amont.
- La surverse
Il s’agit du débordement de l’eau par dessus la digue ou son système d'étanchéité, qui conduit généralement et rapidement à la brèche par une instabilité générale ou à une érosion régressive du talus côté terre puis de la crête. Cette cause de rupture se retrouve essentiellement sur les ouvrages endiguant les fleuves et rivières ou les rigoles d'alimentation.
Cependant, les canaux latéraux aux fleuves ou rivières ou traversant une zone d'expansion des crues peuvent également subir une surverse du fleuve dans le canal susceptible d'engendrer une rupture. Une étude du laboratoire d'Autun effectuée en 2006, a montré que le nombre de cas connu de ce type de rupture de digues était limité [Habert, 2006].
Techniques de réparations de digues
1. Techniques d'étanchéité du corps de digue
- Le rideau de palplanches
La fonction du rideau de palplanches est de renforcer la stabilité et d'assurer l'étanchéité de la digue. La mise en oeuvre d’un rideau de palplanches consiste à enfoncer dans le sol des éléments métalliques s'enclenchant les uns aux autres par l'intermédiaire de nervures latérales, les serrures. L’étanchéité est assurée par la mise en place de joints au niveau des serrures. La profondeur maximale d’utilisation avoisine une quinzaine de mètres. Il existe différentes méthodes d'enfoncement, avec l'aide d'une grue munie de marteau pour le battage, munie de trépideur pour le vibrofonçage, munie de vérin pour le vérinage. Ces méthodes dépendent de la nature du corps de digue et de l’environnement (risques liés à de trop fortes vibrations).
- La paroi mince
La paroi mince vibrée est réalisée à l’aide d’un profilé métallique foncé dans le corps de digue puis retiré tout en injectant à basse pression un coulis d’étanchéité auto-durcissant. L’étanchéité d’ensemble de la paroi est assurée par un recouvrement de quelques centimètres entre les éléments successifs. La largeur de la paroi dépend essentiellement de la nature des sols, elle peut varier de quelques centimètres pour des sables à une vingtaine de centimètres pour des graviers. Ce procédé permet d’atteindre des profondeurs de l’ordre de vingt à vingt cinq mètres.
- La paroi moulée
forage de la tranchee de la paroi moulee
La paroi moulée fonctionne sur le principe de l’écran mince. Une tranchée est réalisée dans le corps de digue à l’aide d’une pelle rétro ou d'une benne preneuse. Au fur et à mesure de l'enfoncement, le forage est rempli par une boue bentonitique qui est substituée par la suite par un mortier à base de ciment. La largeur de cette paroi est de l’ordre de 0,50m. Le choix de la technique employée dépend de la profondeur de paroi nécessaire. L’utilisation de la pelle rétro est limitée à une profondeur d’environ six mètres tandis qu’à l’aide d’une benne preneuse il est possible de dépasser vingt cinq mètres. Il faut néanmoins disposer d’une largeur de crête suffisante et d’une bonne stabilité de la digue.
- Les injections
L'injection consiste à faire pénétrer dans le sol de fondation ou dans le corps de la digue un coulis fluide sous pression permettant de renforcer une zone de terrain ou de créer une zone étanche. Dans le cas de réparation, les injections sont employées ponctuellement sur une zone de fuites pour combler les vides intragranulaires existants. Le rideau d'injection dans le corps de digue consiste à exécuter des forages selon un maillage triangulaire ou carré dont l'espacement régulier est fonction du terrain injecté, des caractéristiques des coulis, de la pression et du volume injecté.
2. Techniques d'étanchéité amont
- Les géomembranes et le Dispositif d’Etanchéité par Géomembrane (DEG)
La géomembrane est une membrane d'étanchéité artificielle qui peut être bitumineuse (géotextile tissé ou non imprégné de bitume), ou en synthèse constituée d'élastomères, de thermoplastiques (polyéthylène, PVC) en bandes enroulées, raccordées par soudage ou collage. C'est un produit mince, souple, continu, étanche au liquide. Suivant leurs caractéristiques les géomembranes peuvent s'employer seule, mais généralement elles sont intégrées dans un Dispositif d'Etanchéité par Géomembrane (DEG).
- Le Corroi d'argile
Le corroi d’argile, qui est en réalité de l'argile compactée, est employé pour l'étanchéité du canal. Une couche d'argile recouvre le talus amont et le plafond du canal. La mise en place du corroi d’argile est réalisée par des engins de chantiers classiques. Pour les zones exposées à des courants hydrauliques importants, ou à du batillage, cette protection est complétée par la mise en place d’un filtre géotextile et d’une protection (enrochements, tunage…).
- Le rideau de palplanches
Les palplanches sont également utilisées côté amont, elles assurent alors un rôle de protection contre l'érosion externe et interne et un rôle de stabilisation de la digue. Deux familles de palplanches sont distinguées :
- Les palplanches de petit module et de faible épaisseur (palfeuilles) utilisées uniquement pour la protection de berge, assez courte
(3 à 4 m maximum);
- Les palplanches jouant un rôle structurel en plus des rôles d'étanchéité et de protection de berge.
Les berges
Une berge est le bord d’une rivière ou d’un canal. Elle s’étend en principe du niveau de l’étiage jusqu’au niveau auquel le débordement commence et constitue une zone de transition et de contact physique entre l’eau et la terre. C’est une zone humide adjacente au lit mineur.
Principe général de l’érosion des berges: moteur de la dynamique fluviale
Les phénomènes d’érosion et de sédimentation jouent un grand rôle dans la richesse des ripisylves et font partie de leur fonctionnement naturel. Ce sont eux qui créent la forme de la rivière et son cheminement dans les paysages. L’érosion des berges contribue à renouveler les peuplements en bordure de cours d’eau. Ces dépôts constituent des endroits propices à l’installation de végétaux pionniers. Les phénomènes d’érosion-sédimentation contribuent à la création d’une mosaïque de milieux le long du cours d’eau.
Des expériences scientifiques ont montré que l’impulsion rythmique du flux entraîne dans des conditions par ailleurs identiques une sinuosité plus marquée, la division du cours d’eau en chenaux et la formation d’îles lenticulaires. Le tracé d’un écoulement sinueux est donc fonction du volume d’eau circulant, de la nature du substrat, de la pente dévalée, mais aussi de la rythmicité de l’écoulement. On peut en déduire que la variabilité de l’intensité des crues joue également un rôle dans le cheminement des masses d’eau.
Pourquoi les méandres se déplacent-ils ?
La force et la direction des courants, les forces de frottement qui s’exercent sur les parois et dans le fond, la cohésion des sédiments, l’instabilité géologique interviennent dans les processus d’érosion et de dépôt le long des rives, et dans la migration latérale (force centrifuge) et vers l’aval des méandres.
De quoi dépend la vitesse de la migration des méandres ?
Le rythme de migration des méandres est notamment fonction du rayon de courbure du méandre rapporté à la largeur du chenal. Interviennent également le débit, l’inclinaison de la surface de l’eau, la nature des matériaux constitutifs des berges, la végétation, la hauteur de la rive concave. Enfin, l’évolution d’un méandre est influencée par celle des méandres situés en amont et immédiatement en aval.
Où se produit l’érosion, lors du déplacement des méandres ?
L’érosion des berges se produit essentiellement dans la courbure des rives concaves, frappées de plein fouet par les plus forts courants. Le sapement par la base est le processus d’érosion le plus important. En ce qui concerne les dépôts, on distingue en théorie deux types d’accumulation :
- l’extension des terres émergées se produit par allongement des méandres, consécutifs aux dépôts successifs de sédiments véhiculés par les eaux du chenal tandis que les rives concaves reculent sous l’effet de l’érosion ;
- l’accumulation verticale, qui hausse le niveau de la surface du sol, est le résultat du transport par-delà les bordures du chenal principal, puis du dépôt des sédiments en suspension des l’eau.
Successions végétales d’une ripisylve
Les ripisylves sont des milieux caractérisés par une grande biodiversité. Les végétaux s’organisent selon un système de strates superposées et complémentaires. La variété des architectures végétales, le mélange des strates sont à l’origine de la structuration spatiale complexe de la ripisylve.
Les formations arborées de bordure immédiate de cours d’eau sont composées d’essences à bois tendres. Elles sont souvent composées de saules arborés dominés par le saule blanc (Salix alba). La strate arbustive est souvent riche en saules et en sureau noir (Sambucus nigra), tandis que la strate herbacée est caractérisée par des formations d’orties, faux roseaux, menthes, carex, …
Techniques de protection de berges
- Les enrochements
La réalisation d’un parement en enrochements a pour but de protéger la berge des effets du courant, des perturbations locales, ou du batillage et de limiter l’érosion externe et les affouillements. Les enrochements sont mis en œuvre à l'aide d'une pelle mécanique depuis la crête ou depuis un ponton flottant. Ils sont posés sur un filtre géotextile ou granulaire. Une butée de pied peut être nécessaire pour stabiliser la protection si la pente est trop importante. Les enrochements proviennent de carrière et sont choisis selon différents critères : leur dimension, qui conditionne leur stabilité vis à vis des courants ; leur résistance aux cycles «gel/dégel», leur résistance aux chocs, etc.
Afin d’offrir de meilleures caractéristiques les enrochements peuvent être liés avec du béton (cette protection en enrochements liés devient alors une structure rigide et non déformable, qui peut éventuellement masquer des affouillements dans le temps).
- Les gabions ou matelas gabions
Les gabions sont des cages métalliques remplis d'enrochement afin de constituer un mur droit ou à redan pour stabiliser la digue.
Les matelas gabions ont une épaisseur de vingt à trente centimètres. Les éléments reliés entre eux permettent d'épouser la forme du talus pour sa protection contre le batillage et les courants. Ils sont mis en place à l'aide
d'une grue munie d'un palan. Un filtre, généralement du géotextile, est posé sous la structure pour éviter le départ des matériaux fins.
- Le tunage
- Les techniques en génie végétal
Les techniques végétales utilisent des végétaux ou parties de végétaux pour protéger la berge contre l’érosion et assurer la stabilité de la zone traitée. L'impact paysager et écologique n'est pas négligeable. Pour une bonne technique végétale il est nécessaire d'étudier l'importance des sollicitations hydrauliques et les contraintes sur le site d'emploi. Si cette technique n'est pas adaptée, il est possible de s'orienter vers une technique mixte en l'associant à des techniques de génie civil.
Les techniques les plus fréquemment employées sont le fascinage, les boudins en fibre de coco végétalisés ou végétalisables.
Ce type de réalisation, doit être suivi dès sa mise en œuvre pour veiller à la bonne reprise des végétaux. Elle n'est efficace que lorsque les végétaux se développent.
Fonctions des berges
- Fonctions épuratrices : « Filtre physique et chimique »
Le filtre physique
« Les frottements internes » permettent une sédimentation des matières en suspension par ralentissement des écoulements et ruissellements. Les matières en suspension capturent une grande quantité de matières organiques et éléments traces (métaux lourds, HAP, PCB…) par adsorption. La rétention des matières en suspension permet de limiter la turbidité des cours d’eau et de diminuer la charge en matières organiques et polluants chimiques (métaux lourds, HAB, PCB…) adsorbées. Il est à noter que les particules en suspension ou déposées peuvent être source de préjudice grave pour la faune aquatique (séquelles sur les branchies, colmatage des frayères et des habitats d’invertébrés benthiques et de poissons, limitation des apports en oxygène dans les sédiments).
Le filtre chimique
Les zones humides rivulaires sont par exemple, particulièrement efficaces pour éliminer les nitrates (les taux d’abattement supérieurs à 50 %). Ce sont de véritables filtres capables de fixer les surplus d’engrais et de produits phytosanitaires drainés sur les bassins versants. Les mares ont une bonne capacité à stocker les métaux lourds et les nitrates (dénitrification des eaux).
- Fonction climatique : Maintien de la température et du microclimat
Les berges et les zones humides ont la faculté de maintenir la température des cours d’eau à un niveau compatible avec la vie aquatique (poissons et autres espèces vivantes). Elles sont capables d’emmagasiner et de rejeter de l’eau froide (via les nappes sous-jacentes) dans un cours d’eau lorsque, du fait d’un débit faible, la température de l’eau augmente. (ENGREF, 2004).
Les zones humides ordinaires et la végétation des berges peuvent réguler les microclimats par le biais de phénomènes d’évapotranspiration modifiant les précipitations et les températures localement. (Ministère de l’environnement, 1996). L’évapotranspiration est une composante importante des bilans hydriques.
Sous des climats et dans des zones humides de différents types (tourbières, prairies de type « pothole », boisements marécageux…), des auteurs signalent tantôt une diminution de l’évaporation (jusqu’à 40% de moins) par rapport à l’évaporation des eaux libres, tantôt une augmentation (jusqu’à 80% de plus) ou encore une alternance en fonction des saisons (Eisenlohr, 1966 ; Bay, 1967 ; Hall et all., 1972 ; Eggelsmann, 1976).
Il est important de noter que tous les aménagements et les activités qui réduisent les stocks d’eau (chenalisation, drainage, pompage…), les changements significatifs de l’occupation des sols (mise en culture, substitution de prairie aux boisements, populiculture…) sont de nature à modifier ce compartiment du bilan hydrique, avec des conséquences sur le microclimat local, sur la productivité et sur le fonctionnement biogéochimique des systèmes (Odum, 1994).
- Fonctions hydrologiques
Zone d’expansion de crue et protection contre les inondations
La zone humide est un lieu de stockage de l’eau provenant du versant (nappe, ruissellement). Cette fonction dépend de la continuité hydraulique entre des écoulements du bassin versant et la zone humide. Ce stockage dépend également du volume d’eau retenu par la zone humide par rapport au volume d’eau drainé depuis le versant. Ce rapport est généralement faible pour des zones humides
ordinaires de petite superficie (quelques hectares). La zone humide a donc un rôle de stockage de l’eau tout à fait temporaire, qui contribue à moduler la reprise des écoulements hivernaux. Il en résulte des variations importantes de surfaces consécutives aux variations des apports et des pertes d’eau. La zone humide est également un lieu de stockage-déstockage de l’eau provenant de la rivière.
Intérêts et limites des zones humides par rapport à des terrains agricoles drainés
Les parties aériennes des végétaux permettent d’augmenter la rugosité hydraulique de la surface du sol. Une zone rivulaire composée de végétaux buissonnants et arbustifs denses, dont les parties aériennes possèdent une grande élasticité est très efficace pour réduire la vitesse du courant et donc la puissance érosive lors de crue (Lachat, 1994; Cohen et al.1987). Or dans la plupart des cas, les dégâts économiques liés aux inondations sont davantage induits par la vitesse du courant que par la seule submersion. En résumé, les berges et les zones humides en général accroissent les capacités d’écrêtement des crues et ralentissent la baisse du niveau des eaux après inondation, ce qui optimise la recharge des nappes.
- Patrimoine biologique
Ce sont en effet des sites essentiels : pour l’hivernage, la migration et la reproduction de nombreux oiseaux d’eau et notamment des
oiseaux paludicoles (oiseaux de marais), pour la fraye du brochet et d’autres poissons ainsi que le développement des juvéniles, avant qu’ils ne rejoignent la rivière, pour la flore et la faune menacées inféodées à ces milieux (conservation de la biodiversité).
En France, vivent en zone humide. 50% des oiseaux et 2/3 des poissons ont un cycle biologique inféodé à ces milieux (Ministère de
l’Environnement, 1996). Ces zones humides assurent souvent une partie du cycle biologique de nombreuses espèces.La disparition des zones humides interrompt les connections écologiques et nuit à la biodiversité à l’échelle du bassin versant entier.
Composées d’une mosaïque complexe d’espèces herbacées, arbustives et arborées, ces formations sont mieux adaptées à des changements environnementaux drastiques. D’autre part, cette hétérogénéité permet une meilleure régulation des populations représentées. Cette biodiversité constitue ainsi une réserve génétique qui présente une grande valeur patrimoniale.
