Optimisation structurale d’un barrage hydroélectrique destiné à une électrification rurale

Actuellement dans le monde, les êtres humains consomment de plus en plus d’énergie. En effet, l’énergie est le moteur de l’ensemble de notre système de production, et par conséquent, un enjeu économique de la plus grande importance. Une partie importante de cette énergie est consommée sous forme d’électricité, en effet, il ne se passe pas un jour sans que nous n’utilisions l’énergie électrique : les appareils fonctionnant à base d’électricité sont de plus en plus nombreux. L’électricité peut être fabriquée de différentes façons. Par exemple, des centrales électriques utilisent les énergies fossiles telles le gaz, le charbon ou le pétrole. Ces centrales sont appelées centrales thermiques. L’énergie nucléaire est également utilisée, de même que les énergies renouvelables comme le vent, le soleil ou l’action de l’eau.

Mais les réserves en énergies fossiles sont limitées et elles ont des conséquences néfastes sur l’environnement (effet de serre, pluies acides, …), et les scientifiques s’accordent à dire qu’elles seront probablement épuisées d’ici quelques décennies. L’énergie nucléaire peut s’avérer particulièrement dangereuse et provoquer des accidents dramatiques (comme à Tchernobyl en 1986), et le stockage des déchets radioactifs à long terme pose problème. C’est pourquoi l’utilisation des énergies renouvelables, qui sont inépuisables et respectueuses de l’environnement, doit être développée pour être plus utilisée dans l’avenir. Actuellement, l’énergie hydroélectrique est l’énergie renouvelable la plus utilisée.

METHODOLOGIE

L’électrification rurale ou urbaine touche plusieurs disciplines, entre autres, le Génie Civil, l’Hydraulique, l’Industriel, la Sociologie, l’Economie, le Commerce, l’Informatique, la Mathématique, l’Environnement. De ce fait l’utilisation de la technologie moderne résout les grands problèmes inhérents à la complexité de l’étude.

ÉTUDES PRELIMINAIRES

Etude socio-économique 

Il est bien de noter qu’avant de réaliser un projet d’électrification, l’étude de la demande en électricité est indispensable. Il nous faut des données socioéconomiques permettant d’obtenir les renseignements sur le nombre de clients, la consommation spécifique mensuelle en kWh, la capacité à payer l’électricité et les frais de raccordement. On distingue les clients utilisant la Force Motrice Basse Tension (FMBT) et la Lumière et Usage Domestiques (LUD) comme les ménages branchés en basse tension, les commerces et services, les services publics et Administration, les foyers d’Eclairage Public. Pour les clients utilisant la FMBT, on doit préciser pour chaque appareil et machine utilisés le type et nombre d’unité, la puissance nominale du moteur ou groupe électrogène (producteur énergie), la puissance moyenne d’utilisation, heures de fonctionnement journalières, nombre de jours d’utilisation durant l’année pendant les périodes sèches et humides , dépenses mensuelles en carburant, maintenance et entretien.

Généralement, les clients FMBT sont les rizeries, décortiqueries et dépailleurs ; les ateliers bois ; les ateliers mécaniques ; les grands hôtels avec chambres. Il ne faut pas oublier que les données socio-économiques changent dans le temps. La demande en électricité varie suivant l’évolution de la démographie, du nombre d’entreprises et des revenus de la population. Par conséquent, le recours aux techniques mathématiques de prévision est nécessaire.

ÉTUDES TECHNIQUES

La conception des aménagements doit subvenir aux besoins de la population. Ces aménagements sont très variables allant de simples digues jusqu’aux barrages les plus gigantesques. Dans cette optique, un levé topographique détaillé de la vallée, une étude géologique de surface, une étude géotechnique et une évaluation des apports d’eau à partir d’observations locales sont généralement requis.

Etude topographique
Avant le choix du site, on doit précéder à un levé de petite échelle permettant d’étudier la faisabilité du projet et de choisir le site approprié. En général, on pourra se contenter d’une carte au (1/50000). L’objectif d’une telle étude est de délimiter le bassin versant hydrologique et de repérer les détails les plus importants existant dans la vallée. Il importe de localiser les zones habitées pouvant être affectées par l’aménagement et de prévoir les dispositions techniques qui s’imposent.

Une fois le site choisi, on doit faire des levés plus détaillés permettant une meilleure connaissance de la topographie du terrain afin de fixer une bonne implantation du barrage. Il est recommandé de recueillir à ce niveau le maximum de renseignements possibles. Selon la complexité du travail, les échelles de levés pour le site du barrage peut varier entre (1/500) et (1/1000).

Etude géologique et géotechnique
Le volume utile du réservoir de retenue est fortement tributaire des propriétés géologiques et géotechniques du sol en place. En effet, aussi bien la perméabilité, la cohésion que la stratigraphie des formations géologiques influence la capacité de rétention de l’eau dans le réservoir du barrage. On mesure donc toute l’importance des études géologiques et géotechniques avant l’implantation du barrage. Les méthodes utilisées vont des enquêtes et études sur des documents existants aux sondages et essais en laboratoire, en passant par les travaux de reconnaissance.

On doit toujours chercher à avoir le maximum de détails permettant d’atteindre les objectifs du projet.

Etudes hydrologiques
La finalité d’un barrage est de stocker de l’eau pour un ou plusieurs usages. Il est donc primordial d’estimer les apports possibles afin de les comparer aux besoins. Ces apports sont composés non seulement des eaux de cours d’eau mais aussi des eaux de ruissellement du bassin hydrologique et, dans quelques cas, des eaux du bassin hydrogéologique. Il importe donc de délimiter ces bassins et de bien maitriser la cryologie de la zone concernée. En dernier ressort, notons qu’il est très important de mener les études par étape. Il serait insensé de se lancer dans des études trop poussées sans s’assurer au préalable de la faisabilité du projet, laquelle ne nécessite que des études sommaires.

CALCUL ENERGETIQUE 

Le problème central sur la mise en place d’un central hydro électrique est le bilan entre le besoin en énergie et la puissance que le central peut fournir. L’étude des besoins a été effectuée lors des études économiques avec les éventuelles évolutions par les techniques de prévision. Il est donc important de savoir déterminer la puissance du site. Ce dernier dépend de certaines caractéristiques physiques du site.

METHODOLOGIE DE CALCUL 

Le calcul des barrages voûtes est en réalité très complexe. Son développement a commencé vers la même époque que pour le barrage-poids. DELOCRE avait fait une première approche du problème (avec une grosse erreur de calcul !). Il avait conclu que l’effet voûte se développerait tant que l’épaisseur du barrage serait moindre que le tiers du rayon de courbure du parement amont. M. PELLETRAU écrivait, en 1877, que le critère était le demi-rayon ; tandis que J.R. KRANTZ estimait que le rayon devait avoir moins de 20 m pour que cet effet soit effectif.

Dans bien des cas, le barrage arqué s’impose ; toute autre solution paraîtrait absurde, au point de vue statique. De plus, le barrage arqué permet de réaliser une économie très notable de matériaux, économie dont la nécessité est aujourd’hui plus urgente que jamais.

On s’est, en général, contenté jusqu’ici de calculer les arcs à diverses profondeurs, indépendamment les uns des autres, pour la poussée totale des eaux. Tous les arcs avaient ainsi la forme d’arcs de cercle. La forme en arc de cercle a été généralement admise n’est donc point celle qui convient le mieux dès que l’on ne considère plus le barrage formé par une série d’arcs sans liaison les uns avec les autres. Suivant la forme générale et les dimensions admises, il se pourra que les arcs doivent différer assez notablement de l’arc de cercle.

Hypothèses

– Le barrage s’appuie sur tout son pourtour, tant horizontalement que verticalement, pour autant que les flancs de la vallée offrent un appui parfaitement rigide.
– Les éléments « console » et « arcs » se partagent les poussées en raison directe de leur rigidité.
– La méthode développée ici suppose que le module d’élasticité E est uniforme, même lorsque les arcs et les consoles sont soumis à des efforts de traction. La théorie de l’arc élastique est d’autant plus rigoureuse que l’arc est plus déformable, mince et fortement surbaissé.
– Donner aux arcs toute l’élasticité désirable de manière à éviter dans la mesure du possible le travail à la traction Cette condition peut être remplie facilement pour les arcs supérieurs. A partir d’une certaine profondeur, les arcs deviennent souvent trop massifs.
– Nous n’allons étudier que le cas particulier d’un arc encastré à ses deux extrémités et soumis à une poussée répartie.
– Les poussées, comme l’arc lui-même est symétrique par rapport à un axe y-y, les poussées peuvent être variables ou uniformément réparties ; elles agissent normalement à l’extrados. La ligne médiane de l’arc coïncide avec le polygone funiculaire des poussées déterminé par le milieu des naissances et de la clef. L’épaisseur de l’arc peut être variable, dans ce cas, elle augmente de la clef aux naissances.
– Généralement donc, l’arc n’a pas la forme d’un arc de cercle. (Sauf pour le cas d’une poussée uniforme.) Si la poussée augmente des naissances à la clef, le polygone funiculaire correspondant et partant de la ligne médiane auront une forme plus aiguë que l’arc de cercle. Si au contraire la poussée diminue vers la clef, l’arc prend une forme plus obtuse.
– La console diminue les poussées, et les arcs ramènent la ligne des pressions de ce dernier vers l’intérieur du noyau et offrent ainsi un soulagement.
– On donne à la ligne médiane de l’arc la forme funiculaire des poussées réduites qu’ils auront à supporter.
– On considère le barrage formé par une série d’arcs liés les uns aux autres par une console verticale.
– On suppose que la déformation se situe dans le domaine élastique.
– On donne aux arcs toute l’élastique désirable de manière à éviter dans la mesure du possible le travail à la traction.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE 1 : METHODOLOGIE
CHAPITRE 1 : DIFFERENTES ETAPES A SUIVRE
1.1 ÉTUDES PRELIMINAIRES
1.1.1Etude socio-économique
1.2. ÉTUDES TECHNIQUES
1.2.1 Etude topographique
1.2.2 Etude géologique et géotechnique
1.2.3 Etudes hydrologiques
1.3. CALCUL ENERGETIQUE
CHAPITRE 2 : METHODOLOGIE DE CALCUL
CHAPITRE 3 : PROGRAMMATION MATLAB
3.1 EQUATION DE REPARTITION DE LA PRESSION
3.2 EFFORT TRANCHANT REDUIT
3.3 MOMENT FLECHISSANT REDUIT
3.4 TRAVAUX VIRTUELS PAR LA CHARGE UNITAIRE AU POINT 1 : (y= )
3.5 TRAVAUX VIRTUELS PAR LA CHARGE UNITAIRE AU POINT 2 : (y= )
3.6 TRAVAUX VIRTUELS PAR LA CHARGE UNITAIRE AU POINT 3 : (y = )
3.7 EPAISSEUR ET RAYON MOYEN DU BARRAGE (VALEUR DONNEES)
3.8 DETERMINATION DE P1, P2, P3
3.9 DEFORMATION DE L’ARC AU POINT 1
PARTIE 2 : RESULTATS
CHAPITRE 1 ETUDE DE CAS : CAS DU SITE ANKARINARIVO
2.1. ÉTUDES SOCIO-ECONOMIQUEs D’IMERINA IMADY
Capacité à payer
Volonté à payer
Types d’activités industrielles et commerciales
Volonté à payer
2.3 BILAN
RESUME
2.4 ÉTUDE DE LA DEMANDE EN ELECTRICITE
2.5 JUSTIFICATION DU PROJET
CHAPITRE 2 : ÉTUDES TECHNIQUES
2.1 ETUDE CARTOGRAPHIQUE
2.2 ETUDE TOPOGRAPHIQUE
2.2.1. Description Topographique Du Site
2.2.2. La géologie du Site
2.2.2.1. Étude géologique
2.2.2.2 Étude géologique sur site
2.3 ÉTUDE HYDROGRAPHIQUE
2.3.1. Définitions
2.3.2. Situation hydrologique
2.3.3 Paramètres hydro-climatique du site
2.4. ÉTUDES DES CARACTERISTIQUES DU BASSIN VERSANT
2.4.1. Notion sur le bassin versant
2.4.2. Type de bassin versant
2.4.3. Les paramètres physiques d’un bassin versant
2.4.4. Estimation des débits
2.4.5. Débits moyens
4.5.1. Débits moyens annuels
2.4.5.2. Débits moyens mensuels
2.4.5.3. Débit de crue
2.4.5.4. Débit d’étiage
2.4.5.5. Débit classé
2.4.5.6. Débits caractéristiques
2.4.5.7. Débit d’équipement
2.5. LES OUVRAGES CONNEXES A UN BARRAGE
2.5.1. Généralités
2.5.2. LE BARRAGE VOUTE
2.5.2.3. Barrage du site d’ANKARINARIVO
2.5.2.4. Ouvrage de vidange de fond
2.5.2.6. Ouvrage de raccordement
PARTIE 3 : DISCUSSION
CHAPITRE 1: ÉTUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
3.1 CAS DU SITE ANKARINARIVO
3.2. Cadre légal et réglementaire applicable au projet
3.2.1. Charte de l’environnement
3.2.2. Réforme du secteur de l’électricité
3.2.3. Code de l’eau
3.2.4. Décret MECIE
3.2.5. Décret instituant l’Agence de développement de l’Electrification Rurale (ADER)
3.2.6. Décret relatif à l’utilisation hydroélectrique de l’eau
3.3 CAS GENERAL D’UNE CENTRALE HYDROELECTRIQUE
3.3.1. Identification, étude et analyse des impacts
3.3.1.1 Les enjeux environnementaux
3.3.2. Enjeux physiques
3.3.3. Enjeux biologiques
3.3.4. Enjeux socio-économiques
3.3.4.1. Analyse des impacts
3.3.4.2. Identification des impacts
CHAPITRE 2: PERSPECTIVE
CONCLUSION
ANNEXE

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