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Mise en charge (HU)

De Wikigeotech

Traduction anglaise : Surcharge

Dernière mise à jour : 2/4/2020

Passage d’un écoulement à surface libre à un écoulement en charge dans une conduite fermée normalement conçue pour toujours fonctionner à surface libre. Ce type de phénomène est théoriquement exceptionnel dans les systèmes d’assainissement qui doivent être dimensionnés pour écouler à surface libre les débits correspondant à la période de retour choisie comme référence. Sur le plan juridique, les mises en charge sont cependant tolérées si la hauteur de charge est inférieure au niveau de la chaussée. Ceci signifie qu'une collectivité ne peut pas être tenue pour responsable d'inondations de caves ou de garages dues à des refoulements par des branchements non équipés de clapets anti-retour. Sur le plan pratique, les mises en charge peuvent apparaître relativement fréquemment du fait des insuffisances des réseaux existants.

Conséquences des mises en charge

La mise en charge se traduit par une augmentation de la pression dans la conduite qui peut avoir différentes conséquences potentiellement dangereuses :

  • Débordements du réseau et soulèvements de tampons (voir Figure 1) ;
  • Exfiltrations d’eau vers le sol, généralement suivies par de fortes infiltrations lorsque la pression diminue. Ces cycles exfiltration/infiltration sont susceptibles d'entraîner les particules du sol avoisinant la conduite et diminuer sa résistance et sa stabilité ;
  • Endommagement des conduites.
Figure 1 : Soulèvement d'un tampon dû à une mise en charge du réseau ; crédit photo : Patrick Savary.

Modélisation des mises en charge

Les mises en charge doivent être représentées si l'on veut simuler le fonctionnement d'un réseau existant. A priori, les écoulements en charge sont plus simples à simuler que les écoulements à surface libre. La section de passage du fluide est en effet fixée et l'onde se propage d'une façon quasi-instantanée dans la zone en charge (du moins si l'on néglige la compressibilité de l'eau et les volumes d'expansion créés par les éléments non représentés : cheminées, branchements, etc.). En pratique, le problème posé n'est donc pas tant de simuler le fonctionnement de la partie du réseau mise en charge que de la délimiter. Il s'agit en effet d'un phénomène transitoire susceptible d'évoluer très vite dans le temps. Les zones en charge apparaissent, se déplacent et disparaissent dans le réseau au gré du passage des ondes. D'autre part, si le réseau est peu pentu, la mise en charge localisée d'une conduite de gros diamètre peut perturber les écoulements très à l'amont (voir Influence aval). Ces différents éléments entraînent une contrainte fondamentale sur la représentation des mises en charge : le modèle les simulant doit être compatible avec celui traitant les écoulements à surface libre. Ceci peut nécessiter des astuces numériques, par exemple l'introduction d'une fente fictive reliant la conduite à l'air libre dans le cas du modèle de Barré de Saint Venant.

Difficultés de la modélisation

Le passage d'un écoulement à surface libre à un écoulement en charge constitue un phénomène souvent extrêmement brutal. En effet l'air piégé dans la partie supérieure de la conduite doit être évacué pour assurer la transition. En pratique deux cas doivent être distingués :

  • soit l'onde de mise en charge se propage de l'amont vers l'aval (augmentation du débit). Dans ce cas, l'air est chassé dans le même sens que l'écoulement et peut s'échapper par les avaloirs ou les tampons ;
  • soit l'onde de mise en charge se propage de l'aval vers l'amont (remontée de ligne d’eau due à une influence aval). Dans ce cas, l'air se déplace à contre-courant par rapport à l'écoulement. Ce phénomène se caractérise par une succession d'ondes de pression souvent très fortes susceptibles de chasser violemment l'eau en surface, voire de déstructurer les collecteurs (soulèvement de tampon, arrachement des grilles, etc.). Il a été constaté que les tampons peuvent même être chassés sous l'effet de la pression d'air avant l'arrivée de l'eau.

La forme des hydrogrammes à l'aval d'une zone en charge peut être extrêmement perturbée. Ils présentent en général une variabilité très grande du débit, avec une alternance de périodes de blocage où le débit est très faible et de périodes de vidange du réseau (écoulement par bouffées) (voir figure 2).


Figure 2 : Exemple de perturbations produites par une mise en charge importante du réseau.

Enfin des mises en charge peuvent se produire même si le débit est inférieur au débit que la conduite est capable d'écouler à surface libre. En effet lorsque le remplissage d’une canalisation devient important, l’accès de l’air peut devenir difficile, tout particulièrement si la canalisation dispose d’une faible densité de regards d’accès. Ce phénomène de bouchon, également appelé fermeture de l’écoulement, peut provoquer une mise en charge partielle et des effets de choc. Il est illustré sur la Figure 3.


Figure 3 : Illustration du phénomène de choc dans une canalisation ; Source : Dufrenes & Vazquez (2013).

Actuellement les modèles véritablement capables de représenter ce type de phénomènes sont encore du domaine de la recherche et les modèles de mise en charge utilisés par les logiciels de simulation hydraulique des réseaux négligent les effets dynamiques dus à la transition.

Bibliographie :

Outils personnels