Pourquoi refaire l étanchéité d un barrage?

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1 Page 1 sur 12 Techniques de réhabilitation Réfection de l étanchéité par pose de géomembranes Introduction par Michel LINO ISL La technologie des géomembranes s est largement imposée au cours des 10 dernières années dans le traitement des problèmes d étanchéité des parements de barrage, principalement pour les barrages rigides (béton ou maçonnerie) mais aussi pour les barrages en remblai à masque amont. Concernant le parc de barrages français, cette méthode a été largement utilisée comme méthode principale de réhabilitation : Miguélou (1989), Chartrain (1993), Chambon ( ), La Girotte ( ), Trégat (1996), Echapre (1997), la Rive (1999) pour les barrages en béton, Rouchain (2000) pour les barrages en enrochements. La technique a également été largement utilisée en Italie depuis une trentaine d année. On trouvera de nombreuses références intéressantes dans le recueil des communications du colloque technique du CFGB de juin 1996 «Les géotextiles et les géomembranes dans les barrages», auquel on se reportera utilement. Pourquoi refaire l étanchéité d un barrage? L organe d étanchéité d un barrage assure la fonction première de l ouvrage qui est de retenir de l eau. La première motivation de la réhabilitation de l étanchéité sera de restaurer la fonctionnalité du barrage. A titre d exemple, lors de sa première mise en eau, le barrage du Rouchain présentait un débit de fuite de 250 l/s avec un plan d eau à 20 m sous la retenue normale (pour une hauteur totale de 55 m) qui n a pas permis son remplissage. La réfection de son étanchéité visait en premier lieu à restaurer sa fonction de réservoir. Pourtant, il est fréquent que les problèmes de fuites excessives et leur impact sur l exploitation ne soit pas la cause première de la décision de réhabilitation. En effet, un contrôle défectueux des écoulements à travers le barrage met en cause à la fois la stabilité de l ouvrage, par la répartition défavorable des sous-pressions et sa pérennité par l accélération des processus de vieillissement. Effet des sous-pressions sur la stabilité des barrages poids (cf. l exposé sur la modélisation des barrages poids) Effet des percolations sur le vieillissement des maçonneries ou béton : exemple du barrage de Beli Iskar Effet des percolations sur le risque d érosion interne d un barrage en remblai Effet des percolations sur le vieillissement des maçonneries ou du béton : exemple du barrage de Beli Iskar

2 Page 2 sur 12 Barrage de Beli Iskar : parement amont du barrage Les autres caractéristiques principales du barrage sont les suivantes : longueur en crête : 533 m, hauteur maximale sur fondation : 51 m, volume du corps du barrage : m3. En coupe, de l amont vers l aval, on trouve : un parement amont constitué de moellons de granit sur une épaisseur de 0,6 m environ, à l aval du parement, une zone d épaisseur 2 m constituée d un béton dosé à 280 kg de ciment par m 3. le reste du corps du barrage constitué d un béton dosé à 185 kg de ciment par m 3. Depuis sa construction, le barrage a fait l objet de peu de travaux de réfection exceptés quelques travaux de rejointoiement du parement amont. En revanche, différentes campagnes de reconnaissance ont mis en évidence un processus de vieillissement important des bétons du barrage. A titre indicatif, les résultats d essai de mesure de la résistance à la compression obtenus au cours des trois campagnes de 1945, 1982 et 1999 sont donnés ci-dessous. Ils montrent que la résistance moyenne à la compression des bétons est inférieure à la moitié de sa valeur initiale après 55 ans d exploitation. Résistance moyenne à la compression des échantillons de béton B 280 Résultats 1945 Résultats 1982 Résultats ,2 MPa 28,8 MPa 22,3 MPa

3 Page 3 sur 12 Résistance moyenne à la compression des échantillons de béton B ,5 MPa 21,9 MPa 15,4 MPa Ces résultats sont corrélés avec une augmentation régulière des débits de percolation collectés et mesurés au niveau de la galerie de drainage et à l aval du barrage. Barrage de Beli Iscar : vue d ensemble du parement aval Barrage de Beli Iscar : détail de dégradation du parement aval De nombreuses variantes de réhabilitation ont été étudiées (masque amont en béton armé,

4 Page 4 sur 12 précontrainte, injection du corps du barrage, recharge amont en remblai, construction de contreforts à l aval ). Après comparaison des variantes, la solution d étanchement par une géomembrane en PVC a été retenue, complétée par des injections de remplissage des cavités dans le corps du barrage. La rapidité d exécution comparée à des solutions plus lourdes de masques en béton armé. Techniques d étanchement des parements de barrage Les techniques d étanchement des parements amont de barrage les plus utilisées sont les suivantes : CAS DES BARRAGES EN BÉTON OU EN MAÇONNERIE (PAREMENT VERTICAL OU SUBVERTICAL) rejointoiement d un parement en maçonnerie de pierre de taille : efficace mais demande un entretien régulier peu compatible avec l exploitation de l ouvrage création d un masque en béton armé drainé, type masque Maurice Levy (ex : barrage de Champagney) : technique efficace mais très coûteuse masque en béton projeté ancré sur le parement existant : efficacité non garantie, problème du traitement des joints entre plots application de revêtements minces de type «enduit» : cette méthode a été appliquée dans le passé parfois avec un certain succès : ex : barrage de Pannecière étanchement de voûtes multiple en béton armé, parfois sans grand résultat (barrage de Champagney) - revêtement par géomembrane en PVC : cette technique a connu une large diffusion dans les 20 dernières années, en particulier sous l impulsion de la société Carpi, société spécialisée dans ce type de travaux. CAS DES BARRAGES EN REMBLAIS paroi moulée interne : coulis autodurcissable, béton plastique, béton armé (pour mémoire car ne concerne pas le parement amont) : c est sans doute la technique de base pour la réfection de l étanchéité d un barrage en remblai adjonction d une recharge amont étanche : peu pratiquée car se pose le problème de la stabilité de la recharge en particulier en cas de vidange rapide géomembrane protégée en réparation d un masque existant : exemple du barrage du Rouchain Etanchement par géomembrane des parements amont de barrage en maçonnerie ou en béton DESCRIPTION GÉNÉRALE L étanchement par géomembrane de parements amont verticaux de barrage poids consiste à fixer mécaniquement un complexe géotextile/membrane PVC indépendant du parement amont de façon à

5 Page 5 sur 12 permettre le drainage de la sous-face du complexe. Le drainage de la sous-face est assuré soit par une géogrille soit par un géotextile de fort grammage suivant s il est nécessaire de protéger le complexe d étanchéité contre un éventuel risque de poinçonnement. Le complexe d étanchéité est souvent constitué d une géomembrane PVC d épaisseur 2 à 2,5 mm stabilisée aux U.V. et contrecollée en usine sur un géotextile polyester de 500 g/m² environ. Les travaux de mise en place du complexe géotextile-géomembrane comportent les étapes suivantes : le complexe fixé en partie haute est déroulé par lés de 2 à 4 m de largeur jusqu'à la base du barrage, au droit des recouvrements verticaux, les deux lés sont soudés entres eux et un profilé, le plus souvent en inox, maintient l ensemble des deux lés contre le parement, une bande de géomembrane PVC soudée de part et d autre du profilé assure son recouvrement et son étanchéité. Sur tout le périmètre du parement amont, la membrane est également fixée mécaniquement par des profilés plats en inox. En rive et en fond de vallée, cette fixation est le plus souvent faite sur une plinthe en béton armée construite au pied amont du barrage. Enfin des évents de dégazage sont placés sur toute la longueur en crête de façon à permettre la ventilation de la sous-face du complexe géotextile-géomembrane. L étanchement par géomembrane PVC des parements amont de barrage en maçonnerie ou en béton présente l avantage de tolérer certaines irrégularités et une rugosité de la surface d appui. Dans ces conditions, la préparation du parement amont est souvent limitée et consiste essentiellement en : un nettoyage au jet d eau sous forte pression (quelques centaines de bars), un ragréage ponctuel des défauts les plus grossiers ayant pour but d ôter du parement les parties non adhérentes et de colmater les cavités trop importantes. LE SYSTÈME «CARPI» La société CARPI a réalisé de nombreux travaux d étanchement de parements amont de barrage poids en béton ou maçonnerie avec le système breveté SIBELON/BARRAGES. Ce système reprend l ensemble des éléments décrits ci-dessous mais le profilé qui maintient les lés au droit des recouvrements est en réalité constitué de deux profilés en U en inox qui s emboîtent l un dans l autre et qui permettent ainsi un pré-tensionnement de la membrane. Ce pré-tensionnement permet d éviter la formation dans le temps de plis, poches ou autres déformations défavorables pour la pérennité de la membrane. La société CARPI dispose de plus d une cinquantaine de références dans le monde pour ce type de travaux. En France, le système a été mis en œuvre sur les barrages suivants : La Rive (1999), Bouillouse (1996, 1998 et 1999), La Girotte (1994, 1997 et 1998), Chambon (1991 et 1994), Chartrain (1993), Le Riou (1990), Migouélou (1989). On peut noter qu il existe un exemple réussi de mise en place d une géomembrane Carpi sans vidange de retenue.

6 Page 6 sur 12 UNE AUTRE EXPÉRIENCE : LE BARRAGE DE L ECHAPRE En 1997, le barrage de l Echapre (département de la Loire) de type poids en maçonnerie a fait l objet de travaux de réfection de l étanchéité du parement amont par une géomembrane PVC. Dans ce cas également, les travaux ont été réalisés suivant la description générale faite ci-dessous. En particulier, le drainage de la sous-face du complexe d étanchéité est assuré par : une géogrille en polyéthylène de densité 750 g/m² fixée mécaniquement sur toute la surface du parement amont pour assurer un drainage efficace entre la géomembrane et le parement amont, un drain collecteur en PEHD de hauteur 1 m et d épaisseur 7 cm placé en pied de barrage, immédiatement au-dessus de la plinthe en béton armé, quatre forages traversant le corps du barrage permettant d évacuer les éventuelles venues d eau de condensation, d infiltration ou de fuites. Ces forages conduisent à délimiter cinq compartiments indépendants permettant ultérieurement de localiser l origine de fuites éventuelles. Dans le cas du barrage de l Echapre, le profilé qui maintient le complexe d étanchéité au droit des recouvrements des lés est un profilé plat vinylester 59 x 8 mm² fixé au barrage par des chevilles mécaniques en acier inoxydable. Ce dispositif ne permet pas un pré-tensionnement du complexe et l absence d un festonnage important repose essentiellement sur une installation soignée de chaque lé. Dans le cas du barrage de l Echapre, quelques plis sont apparus sur certains lés à la suite du premier remplissage. A ce jour, ces plis n ont aucune conséquence sur l efficacité du système d étanchéité. Une technique similaire a été utilisée au barrage de Trégat.

7 Page 7 sur 12 Barrage de l Echapre : vue d ensemble du parement amont Barrage de l Echapre : profilé vertical au droit du recouvrement de deux lés

8 Page 8 sur 12 Barrage de l Echapre : détails de fixation du complexe géotextile-géomembrane en crête et en pied (A) Fixation en crête (B) Fixation en pied (C) Plinthe béton armé (D)Parement amont (1) Complexe géotextile-géomembrane (2) Profilé plat vinylester (3) Géogrille polyéthylène (4) Joint waterstop (5) Drain plat (6) Mastic butyl préformé CONCEPTION DE LA PLINTHE AMONT

9 Page 9 sur 12 La plinthe amont assurant un raccordement de l étanchéité du parement à un organe d étanchéité en fondation est une composante essentielle du projet. Le rôle de la plinthe est de fournir une assise solide et de géométrie régulière à la membrane et de permettre le raccordement à l étanchéité de la fondation, généralement par réalisation d un voile d injection complémentaire. La plinthe est une dalle en béton armé, fortement ferraillée, ancrée dans le rocher et coulée (autant que possible) sur le rocher sain. Etanchement par géomembrane des parements amont de barrage en remblai En pratique, cela concerne la réparation des barrages à masque. MASQUE EN BÉTON ARMÉ Ces masques ont souvent montré des fuites importantes pouvant conduire à des difficultés d exploitation si les apports ne sont pas surabondants. Des niveaux de fuite de plusieurs dizaines voire centaines de litres par seconde sont couramment rapportés. Ces barrages se caractérisent en outre par une pente forte du parement amont (fruit de l ordre de 1,4H/1V) La réhabilitation par une géomembrane protégée par des dalles en béton est une solution adaptée. La forte pente du parement impose généralement l ancrage des dalles de protection EXEMPLE DU BARRAGE DU ROUCHAIN Historique sommaire Le barrage du Rouchain est un barrage en enrochements compactés à masque amont en béton armé qui a été construit en Sa hauteur maximale sur la fondation est de 55 m. Dès la première mise en eau, le barrage présente des fuites très élevées qui ne permettent pas son remplissage (250 l/s à 20 m sous la retenue normale). Des travaux limités à la réparation du masque fracturé autour de la tour de prise d eau en 1978 ne donnent pas satisfaction. En , des travaux de réfection importants sont engagés : pose d une membrane Rodio (géotextile imprégné) sur le parement amont et sur la plinthe. Le raccordement sur la tour de prise d eau s effectue par un joint «lyre», injections dans la plinthe et dans le rocher en rive gauche. Ces travaux ont permis de réduire le débit de fuite à 20 l/s sous la cote de retenue normale et d exploiter normalement le barrage jusqu en Mais la membrane Rodio, non protégée, présente des dégradations alarmantes (zones décollées et arrachées au voisinage de la cote de retenue normale, perforation par les chutes de pierres) qui font craindre pour la pérennité de l étanchéité. En 1998, le Maître d Ouvrage engage le projet de réfection du barrage. Description des travaux de Les travaux d étanchement réalisés en ont consisté à remplacer la membrane Rodio par

10 Page 10 sur 12 une membrane PVC de 2 mm d épaisseur protégée par un revêtement en béton armé. La membrane est posée en non-adhérence et simplement fixée en tête et en pied de parement par serrage sous des plats en acier inoxydable. Un géotextile anti-poinçonnement et de drainage est assemblé en usine sur la face inférieure de la membrane. Barrage du Rouchain : réfection du masque amont par géomembrane protégée l élimination de la membrane Rodio dans les zones où elle était décollée ou dans les zones où elle masquait des irrégularités trop importantes du masque en béton armé (marches au droit des joints de fractionnement), la reprise par ragréage au mortier des irrégularités du support, le comblement au mortier des joints de fractionnement «ouverts» dans lesquels la membrane risquait d être poussée, la pose des lès de membrane PVC et la réalisation des fixations haute et basse, la réalisation des ancrages pour la protection en béton armé, la pose d un géotextile anti-poinçonnement sur la membrane, la construction du revêtement en béton armé. La forte pente du parement amont (1,4 H/1 V) a nécessité d ancrer la protection de la membrane dans le masque en béton armé. Ces ancrages sont constitués de cornières en acier inoxydable, fixées après la pose de la membrane par boulonnage sur des chevilles chimiques de gros diamètre. Une plaque en acier inoxydable est interposée entre la cornière et la membrane de façon à répartir les contraintes et éviter le poinçonnement de la membrane sous les ailes de la cornière. Une pièce de membrane rapportée, soudée en périphérie sur le lé de membrane recouvre la plaque. L étanchéité autour de la vis de fixation est assurée par un joint caoutchouc percé plein trou glissé entre la cornière et la pièce de membrane et par un bouchon de mastic silicone autour de l écrou.

11 Page 11 sur 12 Barrage du Rouchain : Essai d étanchéité des soudures autour d un ancrage de la protection en béton armé La protection en béton, armé d une seule nappe de treillis soudé a 15 cm d épaisseur. Elle a été construite en utilisant un «outil coffrant», halé suivant le rampant du parement, qui permettait la réalisation «en continu». Autour de la tour de prise d eau, la membrane est fixée sur un châssis métallique assemblée sur site et scellé dans le béton de la tour. La sous-face de la membrane est drainée par le géotextile inférieur, et par une bande horizontale de géogrille spécifique posée au niveau de l exutoire. L exutoire du drainage débouche dans la chambre de vannes située au pied de la tour. Il est équipé de vannes et d un piquage permettant la mesure du débit de fuite. Le barrage a été mis en eau en mai Il a atteint sa cote de retenue normale en mars 2001 et a un comportement tout à fait satisfaisant. MASQUE EN BÉTON BITUMINEUX Ces ouvrages se caractérisent généralement par un pente plus faible souvent de l ordre de 1,8H/1V rendant la mis en place d une géomembrane protégée plus aisée que dans le cas précédent. Le recours à une membrane bitumineuse (plutôt que PVC) permet de s affranchir des incompatibilités chimiques avec les produits bitumineux du masque. Le masque existant est traité comme la couche support de la nouvelle membrane et un protection par dalle en béton armé à joints ouverts est possible, suivant la même conception que pour les masques à géomembranes : dalles préfabriquées ou coulées en place reposant sur un géotextile drainant, d épaisseur comprises entre 10 et 15 cm suivant la pente et armé soit par un ferraillage léger (treillis soudé) soit par des fibres (polyester par exemple). PLINTHE AMONT Le raccordement de l étanchéité de parement à l étanchéité de fondation se fait sans difficulté par

12 Page 12 sur 12 ancrage de la géomembrane sur la plinthe du masque existant. Conclusion L utilisation des géomembranes pour l étanchement des parements amont de barrage est une technique parfaitement maîtrisée et qui a donné de façon générale d excellents résultats pour des coûts de travaux généralement compétitifs par rapport aux solutions concurrentes. L étanchement réalisé est généralement très efficace et l impact sur le comportement et la sécurité du barrage est immédiat. La durée de vie de tel masque peut être estimée de façon prudente à une trentaine d années sur la base du comportement des ouvrages en service, en particulier en Italie. En France, le retour d expérience est d une vingtaine d années et confirme la pertinence de ce type de solution. La localisation extérieure de l organe d étanchéité permet dans tous les cas d envisager une réfection en cas d altération à long terme de l étanchéité du masque.