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Manning-Strickler (formule de) (HU)

De Wikigeotech

Traduction anglaise : Manning-Stricker's formula

Dernière mise à jour : 31/5/2020

Formule permettant d'évaluer le paramètre $ C $ de l'équation de Chézy et de calculer les pertes de charge linéaires par unité de longueur.

Formulation

La formule de Manning-Strickler peut se mettre sous la forme :


$ C = K_s.R_h^{1/6}\quad(1) $

En intégrant cette formulation dans la formule de Chézy, on obtient :


$ V=C.\sqrt{R_h.J} = K_s.R_h^{1/6}.\sqrt{R_h.J}= K_s.R_h^{2/3}.J^{1/2}\quad(2) $


Avec :

  • $ C $ : coefficient de Chezy ($ m^{1/2}/s $) ;
  • $ J $ : pertes de charge ($ m/m $) (égale à la pente du radier dans le cas d'un régime uniforme) ;
  • $ K_s $ : coefficient de débit fonction de la rugosité des parois ($ m^{1/3}/s $) ;
  • $ R_h $ : rayon hydraulique ($ m $) ;
  • $ V $ : vitesse moyenne de l'écoulement ($ m/ $s).

Éléments d'historique

Cette relation est généralement attribuée à R. Manning (1816-1897), alors qu'en réalité elle avait été proposée dès 1869, il est vrai de façon totalement empirique, par l'ingénieur des Pont et chaussées P. Gauckler (1826-1905) pour les écoulements à pente forte.

Malgré tout c'est suite à sa publication par R.Manning qu'elle connut un succès considérable. En 1890 le Français A. Flamant, comme beaucoup d’autres ingénieurs européens, recommanda son utilisation. On associe également à cette relation le suisse A. Strickler. En fait, ce dernier s’est surtout intéressé au coefficient de débit $ K_s $ et a proposé, pour le cas des canaux en terre ou des fonds sableux, une relation permettant son évaluation à partir d'une grandeur physique, la taille moyenne des aspérités de la paroi :


$ K_s = 26.\left[\frac{1}{k}\right]^{1/6}\quad (3) $

avec :

  • $ k $ : rugosité des parois au sens de Nikuradze ($ m $) .

Ceci explique que le coefficient de débit $ K_s $ soit appelé indifféremment coefficient de Manning, de Strickler ou de Manning-Strickler, et que le nom de la formule elle-même soit partagé entre les deux chercheurs.

Précautions d'emploi et estimation du coefficient de débit

Différentes précautions doivent être prises lorsque l'on veut utiliser la formule de Manning-Strickler, en particulier dans le cas des systèmes d'assainissement.

  • La formule de Manning-Strickler n'est valable que pour les écoulements turbulents rugueux, c'est à dire correspondant à des valeurs de la constante de Chézy sensiblement comprises entre 30 et 70. Cette condition est souvent vérifiée dans les réseaux d'assainissement, mais pas toujours, ce qui peut conduire à des erreurs relativement importante sur la vitesse, le taux de remplissage ou le débit maximum admissible. Il serait donc préférable, même si ce n'est pas l'usage habituel, d'utiliser la formule de Colebrook qui ne présente pas cette limite.
  • La rugosité des parois n'est pas le seul facteur contribuant à la dissipation de l'énergie. Les réseaux d'assainissement comprennent un grand nombre de singularités qui provoquent chacune des pertes de charges locales : coudes, chutes, changements de pente ou de direction, câbles accrochés aux parois, branchements, etc.. Comme il n'est pas possible de prendre en compte individuellement chacune de ces pertes de charge singulières, il est nécessaire de les intégrer dans le coefficient de rugosité en majorant celui-ci. Il faut noter que ces pertes de charge peuvent être beaucoup plus importantes pendant les périodes pluvieuses du fait des arrivées latérales de débit dues aux avaloirs et aux branchements qui perturbent plus l'écoulement que pendant les périodes de temps sec.
  • A l'opposé, pendant les périodes de temps sec le taux de remplissage des conduites peut être très faible et la présence de dépôts au fond de la conduite peut également considérablement augmenter les pertes de charge locales et diminuer la vitesse d'écoulement.
  • Enfin, une conduite d'assainissement fonctionne dans des conditions physico-chimiques, et parfois mécaniques, difficiles. Outre les dépôts indiqués précédemment, on observe souvent une érosion particulièrement forte dans la partie basse de la conduite ainsi, sur les réseaux unitaires, qu'un développement de biofilm dans la zone de battement des eaux usées. Ces facteurs font que, même en partie courante, la rugosité réelle des conduites en service peut être très supérieure à celle des conduites neuves, mesurée en laboratoire avec des eaux claires. Les valeurs fournies par les fabricants de tuyaux sur la valeur de coefficient de débit sont donc généralement fortement sur-évaluées en particulier pour les conduites les plus lisses. Il est exceptionnel qu'une conduite en service, même en grès, en PVC ou en PRV présente un coefficient de débit supérieur à $ 80 $ ou $ 90 $ $ m^{1/3}.s^{-1} $.

Le tableau 1 indique les valeurs maximum que l'on peut attendre pour le coefficient de débit dans le cas de conduites ou de canaux en service ainsi que dans celui de rivières naturelles. Les valeurs réelles peuvent être très inférieures, par exemple en cas de mauvaises réalisation des ouvrages, d'ensablement important ou de dégradation des parois.


Tableau 1 : Compilation des valeurs maximum des coefficients de débit de la formule de Manning-Strickler en fonction de la nature des parois (voir bibliographie).


Bibliographie :

Pour en savoir plus :


Voir aussi : Coefficient de rugosité.

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