Guide stabilité des écluses

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1 direction de l Infrastructure et de l Environnement outils Guide stabilité des écluses Centre d Études Techniques Maritimes Et Fluviales

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3 Sommaire Sommaire Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Éléments de fonctionnement d une écluse Principes de fonctionnement Types d écluse Description de quelques éléments constituant une écluse Éléments de dimensionnement d une écluse Circulations hydrauliques Éléments de dimensionnement des bajoyers Éléments de dimensionnement des radiers Conclusion Éléments d évaluation de l état et du comportement d une écluse avant et pendant Dégradation naturelle et physico-chimique des matériaux Les sollicitations mécaniques Les actions de l eau Réalisation d une vidange d entretien Définition des étapes Géométrie générale Données du site Synthèse n Travaux antérieurs - Archives Expériences précédentes de vidanges Observations sur l état de l écluse Synthèse n Réflexion Faisabilité de la vidange Investigations complémentaires Travaux de confortement Déroulement de la vidange Fiche de suivi de la méthodologie Exemple d application de la méthodologie «vidange du sas d une écluse» Fiche n 1 : Écluse de Port à l Anglais Fiche n 2 : Écluse n 2 de Damery Fiche n 3 : Écluse des Quatre Cheminées Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 1

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5 Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse. Cette partie est constituée de trois chapitres et aborde de manière générale le fonctionnement d une écluse. 8 Le premier chapitre présente les schémas type d écluses et les différentes configurations qu elles peuvent avoir par rapport à la voie d eau. 8 Le second chapitre comporte quelques éléments permettant d appréhender le dimensionnement de certaines parties de l écluse. 8 Le troisième détaille les éléments à observer en particulier afin d établir un prédiagnostic concernant l état de l écluse. Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 3

6 Éléments de fonctionnement d une écluse Principes de fonctionnement Les écluses à sas, dont la première fut construite au XIV e siècle aux Pays-Bas, permettent aux bateaux de franchir des dénivelés du plan d eau (permanents sur les voies d eau intérieures, temporaires et liés à la marée sur les voies d eau littorales en liaison avec la mer). Les dénivelés («hauteur de chute») varient dans de grandes proportions et peuvent atteindre 35 m (34,5 m à Carrapatelo sur le Douro au Portugal) voire plus (42 m à Ust-Kamenogorsk en Russie). En France, c est l écluse de Bollène sur le Rhône qui est la plus grande avec 23 m de hauteur de chute. Le développement de la voie d eau au XIX e siècle (gabarit «Freycinet») s est accompagné de la création de nombreux ouvrages de ce type avec des hauteurs de chute de l ordre de quelques mètres. Actuellement ce sont ces ouvrages qui sont les plus nombreux. D autres écluses plus importantes ont été construites par la suite, les dernières sur le canal du Nord, dans les années 60, dont la hauteur de chute varie de 4 à 8 m. Le fonctionnement d une écluse consiste à moduler le niveau d eau dans le sas de façon gravitaire : 8 Fermé et mis en relation avec le bief amont (par vantelles ou aqueducs), son niveau monte jusqu au niveau amont et l ouverture des portes amont permet soit à un bateau «avalant» d entrer dans le sas, soit à un bateau «montant» de sortir. 8 Fermé et mis en relation avec le bief aval (par vantelles ou aqueducs) son niveau descend jusqu à celui du bief aval et l ouverture des portes aval permet soit à un bateau «montant» d entrer dans le sas, soit à un bateau «avalant» de sortir. Types d écluse Dans la suite du rapport, le type d écluse n est pas un paramètre majeur dans l analyse de la stabilité durant la mise à sec. Toutefois, en guise d exemple et afin de synthétiser le vocabulaire nécessaire, la structure générale d une écluse de type Freycinet est présentée (figure 1). Ces écluses présentent une longueur de 39 à 42 m et une largeur de 5,2 à 6 m. Les dimensions du bateau Freycinet sont quant à elles de 38,5 m de long, 5,05 m de large et 2, 2 m d enfoncement maximal. 4 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

7 Le tableau 1 synthétise quelques exemples d écluses sur le territoire français. Tableau 1 : Voie \ Ecluse Longueur (m) Largeur (m) Hauteur de chute (m) Mouillage* (m) Moselle canalisée ,50 Canal latéral à l Oise ,50 Deûle 144,6 12 4,20 Canal du Nord 91,6 6 4 à 8 3,00 Figure 1 : Schéma d une écluse de type Freycinet. Tête aval Echelle limnimétrique Perré Bajoyer Chardonnet Rainure à batardeau Radier Musoir Faux-busc Contre-fosse de drainage Tête amont Cabine de commande Mur de chute Entretoise Faux-busc Sas Enclave de vantail Mur de garde Chambre des vantaux Busc Bitte d'amarrage Berge Bief amont Estacade de guidage Vantelle Crémaillère Porte busquée (deux vantaux) 8 Mouillage = enfoncement + pied de pilote 8 Enfoncement = profondeur du bateau 8 Tirant d eau = enfoncement Facteurs 8 Un des facteurs importants est l emplacement de l écluse par rapport au cours d eau ou au canal. On peut ainsi distinguer (figure 2) : 4 les écluses en canal. 4 Les écluses en rivière accolées au barrage. 4Les écluses en rivière implantées en dérivation. La distinction est nécessaire car suivant l emplacement de l écluse, les écoulements hydrauliques ainsi que les efforts transmis à la structure sont différents. 8 Le second facteur est la hauteur de chute qui conditionne ensuite la hauteur des bajoyers. 8 Le troisième facteur est le mouillage qui conditionne les efforts dus à la masse d eau intérieure au sas qui s exercent sur les bajoyers et le radier et qui s annulent lors de la vidange Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Mur de fuite Estacade de guidage Bief aval Figure 2 : Position de l écluse Figure 2a : Écluse en canal Figure 2b : Écluse en rivière en dérivation Figure 2c : Écluse en rivière accolée à un barrage. Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 5

8 Description de quelques éléments constituant une écluse il est nécessaire de rappeler que sauf conception exceptionnelle, une écluse constitue une structure étanche. Un plan détaillant précisément la structure d une écluse à sas est présenté figure 3. La suite de cette partie permet de revenir sur 5 éléments particuliers : les bajoyers, le radier, les têtes et leur rainure de batardeau, les portes et le système d alimentation. Cette description est bien-sûr incomplète puisque des parties comme les bassins d épargne ou les stations de pompage ont été volontairement omises, mais elle se focalise avant tout sur les éléments mécaniques de l écluse qui jouent un rôle dans la stabilité de celle-ci. Bajoyers Les bajoyers sont fonctionnellement conçus comme des soutènements et peuvent donc être soit des murs poids, soit des rideaux. Ils présentent donc des formes diverses et variées. Ils sont dans la majorité des cas en maçonnerie mais ils peuvent être en béton armé ou non ou encore en acier dans le cas de rideaux de palplanches. Ils peuvent présenter un fruit plus ou moins important. Leur épaisseur dépend de la hauteur et de la nature de terrain qu ils soutiennent, de la hauteur d eau minimale qui a été prise en compte dans le dimensionnement et du fait qu ils peuvent être tirantés ou non. La manière dont ils sont liés ou non au radier est encore une autre variable. Ces deux structures peuvent être totalement encastrées l une dans l autre ou inversement être entièrement disjointes. La liaison bajoyer-radier influe fortement sur le comportement mécanique du sas. L absence de radier peut se rencontrer en cas de fondation au rocher (imperméable) ou de volonté particulière impliquant alors l impossibilité de vidange complète du sas. Radier Le radier joue le rôle d étanchéité et éventuellement de répartition des efforts sur le sol sous-jacent (semelle) et/ou de buton aux bajoyers. En cas de liaison aux bajoyers, il participe au soutènement des terres. L absence de radier peut se rencontrer en cas de fondation au rocher (imperméable) ou de volonté particulière impliquant alors l impossibilité de vidange complète du sas.les radiers possèdent aussi des natures et des formes variées. Ils peuvent être plans ou en forme de voûte inversée, munis ou non d évents. Le radier peut constituer une fondation superficielle. Dans d autres cas, le radier peut être mis en œuvre sur des pieux. Le radier est le plus souvent en maçonnerie, en bois ou en béton armé ou non. La manière dont il peut être relié aux bajoyers est une caractéristique importante : encastré, appuyé, disjoint voire flottant. Portes Les différents types de portes qui peuvent être distingués dépendent surtout de la manière dont elles fonctionnent (en rotation et suivant quel axe ou en translation et suivant quelle direction) : 8 axe de rotation vertical : portes busquées, portes à un seul vantail, portes secteurs, 8 axe de rotation horizontal : portes tournantes et portes segments, 8 translation horizontale : portes levantes, 8 translation verticale : portes roulantes. Les portes busquées sont les plus courantes. Il est à noter que le type de porte conditionne la forme des têtes et donc de manière indirecte le comportement mécanique de ces dernières. 6 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

9 Les têtes et rainures de batardeau Les têtes amont et aval de l écluse ont le même type de comportement et les mêmes caractéristiques (nature des matériaux, forme) que les bajoyers. Ce sont des soutènements reprenant en plus les efforts dus aux portes. Les rainures de batardeau permettent d insérer les batardeaux dans la structure de l écluse. L interaction entre le batardeau, la rainure et la tête est extrêmement sensible car des efforts relativement importants s exercent sur des surfaces de contact relativement restreintes. En particulier, il faut veiller à tout défaut géométrique qui pourrait entraîner une concentration de contrainte susceptible de dégrader l écluse. Figure 3 : Écluse à sas (D après le rapport final de la Commission Internationale pour l Étude des Écluses, 1982). AA Plan. BB Coupe longitudinale. DONNÉES CARACTÉRISTIQUES 1. Niveau de flottaison du bief amont. 2. Niveau de flottaison maximum du bief amont. 3. Niveau de flottaison du bief aval. 4. Niveau des plus hautes eaux navigables. 5. Hauteur de chute. 6. Mouillage sur busc amont. 7. Mouillage sur busc aval. 8. Tirant d air entre les plus hautes eaux navigables aval et le mur de masque. 9. Largeur utile du sas. 10. Longueur utile du sas. 11. Revanche. SAS 12. Bajoyer. 13. Couronnement. 14. Arête de couronnement. 15. Joint de dilatation. 16. Radier du sas. 17. Avant-radier. 18. Arrière-radier. TÊTES D ÉCLUSE 19. Tête d amont. 20. Tête d aval. 21. Radier de tête. 22. Bajoyer de tête. 23. Mur en retour. 24. Musoir. 25. Rainure pour batardeau. 26. Appui de porte (battée) ; dans le cas de portes busquées : chardonnet. 27. Busc (seuil). 28. Chambre de porte. 29. Enclave de porte. 30. Mur de chute. 31. Mur de masque. 32. Parafouille. PORTES 33. Porte amont. 34. Ventelle. 35. Porte de garde. 36. Porte aval. ÉQUIPEMENT DES BAJOYERS 37. Bollard de couronnement. 38. Bollard flottant. 39. Organeau (bollard encastré). 40. Échelle et rainure d échelle. 41. Échelle d extrémité. Il est nécessaire d entretenir réguliérement les têtes et rainures de batardeau afin de pouvoir reprendre tous les efforts transmis par le batardeau sur les têtes amont ou aval. Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Alimentation L alimentation en eau peut être effectuée suivant plusieurs principes 8 Par les têtes : ouvertures des portes (faible chute et petit gabarit), vantelles sur les portes (faible chute jusqu à 5 à 6 m), par contournement de têtes (un ou deux aqueducs en tête, jusqu à 6 m). 8 Par aqueducs longitudinaux : aqueducs et larrons dans les bajoyers (chute jusque 12 m), aqueducs longitudinaux et larrons sous le radier (fortes chutes). 8 Solution mixte. Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 7

10 Éléments de dimensionnement d une écluse Classiquement, la stabilité générale d une écluse résulte de l équilibre des efforts suivants : 8 Pressions hydrostatiques : nappe, rivière ou canal adjacent (sur les bajoyers, les têtes et le radier) 8 Efforts dynamiques dus aux mouvements d eau (entrée/ sortie du bateau, hélices, batillage, écoulements dus à la vidange et au remplissage du sas) 8 Pressions du sol (sur les têtes, les bajoyers et le radier) 8 Efforts dus aux équipements : portes, vannes d alimentation en eau 8 Efforts d exploitation : amarrage, accostage, superstructures, surcharges 8 Séismes (dans les zones à risque sismique). Les écluses sont des ouvrages qui présentent un comportement mécanique relativement complexe. En effet, les conditions auxquelles elles sont soumises sont sévères. Les bajoyers et les têtes amont et aval des écluses sont soumis d une part aux poussées des terrains adjacents et d autre part aux montées et descentes cycliques du niveau d eau. Ces conditions particulières d exploitation font que les efforts s exerçant sur des structures de ce type sont assez difficiles à appréhender. Les différents types d efforts sont associés à des fonctionnements spécifiques de l écluse. Comme ce guide traite avant tout de la stabilité des écluses pendant les vidanges d entretien, seuls quelques aspects de l étude de l équilibre d une écluse vont être abordés. Ce chapitre est donc constitué de trois parties. La première est une présentation succincte des circulations d eau autour d une écluse et des phénomènes qu ils peuvent induire. Les deux suivantes sont respectivement consacrées au dimensionnement des bajoyers et des radiers en mettant en avant les éléments d hydraulique des sols présentés précédemment. L effet des pressions hydrostatiques est notamment primordial durant les vidanges nécessaires à l entretien des écluses. En effet, le fait de vider totalement le sas induit des contraintes supplémentaires sur la structure ainsi que des circulations d eau qui peuvent mettre en péril la stabilité de l écluse. Circulations hydrauliques Par définition, une écluse permet de relier deux plans d eau ayant des cotes différentes. Sur le plan hydraulique, ceci se traduit par des circulations d eau entre le bief amont et le bief aval, entre la rive gauche et la rive droite ou plus généralement entre deux zones de l écluse où la charge hydraulique est différente. La charge hydraulique H (en m) est définie en un point par : H=z+u/Y w +v 2 /2g avec : z, la cote en m de ce point u, la pression interstitielle en kpa en ce point 8 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

11 Y w, le poids volumique de l eau en kn/m 3 (Y w =g. w avec la masse volumique de l eau w =1000 kg/m 3 ) v, la vitesse de l écoulement en m/s en ce point g, l accélération de la pesanteur en m/s 2 ( g=9,8 m/s 2 ). En général, la vitesse v de l eau dans les sols est négligée étant donné les conductivités hydrauliques plutôt faibles qui peuvent être mesurées. La charge hydraulique en un point ne dépend alors que de la cote de ce point et de la pression interstitielle en ce point. On a donc la définition suivante : H=z+u/Y w La vitesse d écoulement de l eau entre 2 points dans un sol peut être alors définie par la loi de Darcy : v=k ΔH/ΔL avec : k le coefficient de perméabilité en m/s ΔH la différence de charge hydraulique entre les points amont et aval ΔL la longueur séparant ces deux points, mesurée le long de l écoulement. On vérifie en appliquant cette relation que la vitesse est toujours négligeable dans le calcul de la charge hydraulique. Le schéma figure 4 représente la diminution des pressions interstitielles sous une écluse. À la cote z=0 m, la charge hydraulique diminue d une valeur H1 vers une valeur H2. Comme l altitude est constante, la différence entre les charges hydrauliques amont et aval provient d une différence de pressions interstitielles. 8 Le coefficient de perméabilité dépend de la granulométrie du sol et de son état de compacité. En général, il convient de retenir les valeurs suivantes : 8 Argiles : k<10-8 m/s. 8 Limons : 10-6 <k<10-8 m/s. 8 Sables et graves : 10-3 m/s>k>10-6 m/s. Les efforts dus à l écoulement sont donc plus importants dans les sables et les graves. Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Figure 4 : Diminution des pressions interstitielles sous une écluse. La différence de charge hydraulique entre deux points induit un écoulement entre ces deux points. Cet écoulement génère à son tour des efforts sur les sols ou les structures à travers lesquels il transite. Les efforts sont d autant plus importants que la différence de charge entre ces deux points est importante et que la distance entre ces deux mêmes points est faible. La valeur de l effort induit par l écoulement est aussi proportionnelle à la perméabilité du sol. Les efforts sont d autant plus importants que la différence de charge entre ces deux points est importante et que la distance entre ces deux mêmes points est faible. La valeur de l effort induit par l écoulement est aussi proportionnelle à la perméabilité du sol. Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 9

12 Avant d examiner plus en détail l effet de l eau sur les éléments composant l écluse, il convient de distinguer les différents types d écoulement susceptibles d exister aux abords d une écluse : 8 Ceux dans le plan longitudinal à l écluse qui résultent de la différence de hauteur entre le bief amont et le bief aval (figures 5 et 6). 8 Ceux dans le plan transversal à l écluse qui résultent de la différence de hauteur entre la nappe d eau présente dans les remblais s appuyant sur les bajoyers et le niveau d eau existant dans le sas (figure 7). Malgré les précautions prises lors du dimensionnement et la construction des écluses, certaines d entre elles sont encore soumises à des écoulements hydrauliques parasites. Les efforts induits déstructurent le sol de fondation, les remblais adjacents aux bajoyers et imposent des efforts supplémentaires à l ensemble de la structure. Les écoulements peuvent provoquer une érosion interne qui peut elle-même provoquer des désordres plus ou moins importants, allant parfois jusqu à la ruine de l écluse. Il est donc primordial d identifier les divers mouvements d eau susceptibles d entraîner des matériaux. Dans tous les cas de circulation d eau, le phénomène qui va mettre en péril l ouvrage est l érosion : celle-ci peut être interne ou externe. Les sollicitations dues à l érosion tant interne qu externe ont la caractéristique d être cycliques et par conséquent une fois la structure fragilisée, il est fort à craindre que les dommages ne cessent de s amplifier. L érosion interne est associée au transport des matériaux sous l effet d écoulements internes. On distingue habituellement les phénomènes de renard et de suffusion. 8 Le renard est l apparition de conduits dans un ouvrage en terre sous l action de l eau. 8 La suffusion correspond à un entraînement sélectif des particules : les particules les plus petites sont mises en suspension au passage de l eau, puis entraînées et il ne reste à la fin que le squelette du sol. Ces deux actions correspondent globalement au même phénomène mais ne se déroulent pas à la même échelle : de l ordre du centimètre pour le renard et de l ordre du dixième de millimètre pour la suffusion (on parle aussi de boulance dans le cas de sols sableux et de débourrage dans le cas de sols argileux). L érosion externe est due aux effets dynamiques de l eau générés aux abords et dans l écluse. Il est donc nécessaire de protéger les parties de l écluse pouvant être soumises aux courants les plus violents. Ces effets dynamiques sont d autant plus importants que la hauteur de chute est élevée et que le temps d éclusage est court. 10 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

13 Figure 5 : Écoulements hydrauliques dans le sens longitudinal (sous le sas). Bief amont Terrain naturel Tête de l écluse Écoulements hydrauliques Niveaux d eau Radier Bief aval Figure 6 : Écoulements hydrauliques dans le sens longitudinal (parallèlement aux bajoyers). Bief amont Remblais Terre-plein Écoulements hydrauliques Figure 7 : Écoulements hydrauliques dans le sens transversal. Portes de l écluse Bief aval Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Niveaux d eau Bajoyers Remblais Terre-plein Radier Terrain naturel Écoulements hydrauliques La pluie fragilise la structure et notamment les terrains mis à nu par l érosion qu elle cause mais son action reste très limitée. Le gel est quant à lui beaucoup plus néfaste. En effet, l eau, lorsqu elle passe de l état liquide à l état solide, augmente de volume et impose par conséquent des contraintes supplémentaires aux terrains ainsi qu aux structures retenant ces terrains. Des systèmes de drainage doivent donc être réalisés pour évacuer l eau située derrière les bajoyers. Il convient de ne pas négliger l action du gel ou de la pluie. Les concepteurs d écluses protègent leurs ouvrages des écoulements en allongeant les distances que doit parcourir l eau (en effet, le gradient hydraulique d un écoulement est inversement proportionnel à la longueur de celui-ci). Dans le cas des écoulements longitudinaux, des parafouilles sont disposés sous les têtes amont et aval. Dans le cas des écoulements transversaux, ces parafouilles prolongent les bajoyers. Ces écoulements sont aussi influencés par la position de l écluse par rapport au cours d eau (figure 2). Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 11

14 Figure 8: Écoulement hydraulique au travers d un bajoyer juste après une sassée (écluse n 2 de Damery, Venteuil, 51, Canal de la Marne canalisée). Figure 9 : Écoulement hydraulique entre la Seine et le sas de l écluse (écluse de Port à l Anglais, Vitry-sur-Seine, 94, Seine). Éléments de dimensionnement des bajoyers Les bajoyers ont pour objectif de contenir l eau du sas et de retenir les terres. Ils sont donc soumis à deux types d efforts : 8 Les efforts dus à l eau à l intérieur du sas : ces efforts varient de manière cyclique avec les bassinées et compensent, au moins en partie, les efforts générés par le milieu extérieur. 8 Les efforts liés au milieu extérieur au sas : 4Les «terres retenues» ; 4Les surcharges ; 4La poussée hydrostatique qui peut être générée : Par la nappe phréatique ; Par des cours d eau adjacents dans le cas d écluse en dérivation ou accolées à un barrage ; 12 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

15 Par des fuites au travers du bajoyer ; Par des circulations longitudinales entre la tête amont et la tête aval ; 4Les efforts d amarrage ; Ce schéma simple peut être compliqué par des dispositions constructives particulières liées à des aménagements spécifiques (aqueducs dans les bajoyers, élargissements, tirants, systèmes de drainage, murs parafouilles etc.) ou encore à des choix constructifs délibérés (remblaiement avec des matériaux évolutifs). Figure 10 : Représentation simplifiée des efforts s exerçant sur un bajoyer. Radier Bajoyer Niveau d eau dans l écluse Poussée hydrostatique Force de butée Terre-plein Force de poussée (Poussée des terres) Ligne piézométrique Poussée hydrostatique Le schéma présenté figure 10 permet de mettre en évidence les quatre problèmes qui peuvent affecter la stabilité d un bajoyer : 8 Une différence non prise en compte dans le dimensionnement initial entre les niveaux piézométriques dans le sas et dans le terre-plein. 8 Une évolution des caractéristiques mécaniques du terrain qui modifierait les valeurs des forces de poussée ou de butée. 8 Un vieillissement du bajoyer qui entraînerait une diminution de la rigidité de celui-ci et donc un risque d instabilité. 8 Une modification des surcharges d exploitation. Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Les bajoyers se comportent comme des soutènements classiques (palplanches, murs poids, paroi moulée etc.). Ils doivent résister à la poussée des remblais adjacents quels que soient le niveau d eau dans le sas et la position de la nappe dans les terres. Dans toutes les situations, le cas le plus critique est celui où le sas est vide. La contrainte d une différence de niveau d eau entre le terre-plein et le sas doit, a priori, être prise en compte lors de la conception de l ouvrage. Toutefois, la présence d écoulements hydrauliques parasites aboutit à l existence de pressions interstitielles qui induisent des efforts supplémentaires. Plus concrètement, cela signifie que les bajoyers ne sont en général pas conçus pour résister à la poussée des sols saturés lorsque le niveau d eau dans le sas diminue trop. En effet, bien que les sols situés à l arrière des bajoyers n aient aucune raison d être saturés, les écoulements entre les biefs amont et aval ainsi que des apports non prévus du bassin versant ou de sources proches peuvent y contribuer. L existence non prise en compte de pressions interstitielles à l arrière des bajoyers ou des têtes de l écluse peut provoquer la ruine de ces derniers. Le problème des pressions interstitielles à l arrière de ces structures peut aussi se manifester d une autre manière. Ces pressions peuvent être prises en compte dans la conception ou lors d une réparation par l ajout de drains (figure 11) permettant un écoulement entre les remblais et le bief aval (en veillant à ce qu il n y ait pas de fuite de matériaux). Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 13

16 Figure 11 : Système de drainage dans un bajoyer (écluse de Méricourt, 80,Canal de la Somme). Un mauvais entretien peut rendre inefficaces les éléments de drainages ce qui entraîne à terme l existence de pressions interstitielles à l arrière des bajoyers qui sont incompatibles avec la stabilité de ces derniers. Figure 12 : Différence de charge entre le sas et le terre-plein entraînant des déformations du bajoyer. Déformations due aux pressions interstitielles Plate-forme Niveau d eau dans le sas Bajoyer Terre-plein Matériaux naturels ou remblais anthropiques Les bajoyers ou les têtes amont et aval sont plus ou moins sensibles à ces problèmes. En effet, suivant que les radiers sont liés ou non mécaniquement aux bajoyers et aux têtes de l écluse, les efforts ne sont pas transmis de la même manière et la structure résiste alors plus ou moins bien. Il est facilement compréhensible que dans le cas où toutes les parties de l écluse sont liées, des effets de voûte se développent notamment dans le radier ce qui permet aux efforts d être répartis. Le problème lié aux fuites de matériaux est provoqué par les différences de charge hydraulique. Des tassements peuvent alors être observés et l équilibre qui pouvait exister entre les forces de poussée et de butée peut être rompu. Dans tous les cas, ces phénomènes ne peuvent que destabiliser l ouvrage. Il faut donc être particulièrement attentif à tout départ de matériaux lors de montées et descentes d eau dans le sas, que ce soit au niveau des bajoyers ou des têtes amont et aval, ainsi qu aux signes extérieurs, en particulier les tassements, qui pourraient en être la 14 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

17 manifestation. L observation de la turbidité de l eau des fuites peut aussi constituer un indice. Par ailleurs, ce problème de fuite de matériau peut être amplifié par des augmentations brusques des différences de charge hydraulique. Il faut donc être particulièrement vigilant durant les vidanges où des écoulements inhabituels risquent de se produire. Figure 13 : Reprise des efforts supportés par les bajoyers dans le radier. Poussée des terres Efforts repris par le radier Poussée des terres Le vieillissement de la structure est bien sûr lié aux efforts que celle-ci doit reprendre mais aussi à toutes les attaques qu elle peut subir (chocs de bateau, travaux de «râclage» inconsidérés lors d opérations de curage mal conduites, réaction entre l eau et les matériaux constituant la structure). Les défauts qui peuvent alors être constatés sur la structure concernent le plus souvent les liaisons mécaniques entre les différentes parties composant cette structure : décollement entre les moellons pour les murs en maçonnerie, desserrement entre palplanches, fissuration du béton. Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Figure 14 : Départ de matériaux à proximité d un bajoyer. Départ de matériau Zones susceptibles de tasser Dalle en béton quai Niveau d eau dans le sas Bajoyer Terre-plein Matériaux naturels ou remblais Éléments de dimensionnement des radiers Comme les bajoyers, les radiers ont pour objectif de séparer l eau contenue dans le sas du milieu extérieur. On retrouve ici les mêmes types d efforts. Les cas sont cependant beaucoup plus diversifiés que dans les cas des Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 15

18 Les objectifs assignés au radier d une écluse sont d interdire les écoulements d eau depuis et vers le terrain naturel et parfois de soulager les bajoyers de la poussée des remblais adjacents (il joue en quelque sorte le rôle de buton). Le radier supporte donc deux types de charges : 8 Le poids de l eau et les différences de pressions associées au fonctionnement de l écluse ainsi qu aux écoulements intermittents. 8 Les efforts transmis par les bajoyers (éventuellement). bajoyers car les dispositions constructives sont beaucoup plus variées : radier indépendant ou lié aux bajoyers, radier poids, radier épinglé ou à tirants passifs, radiers contenant le système d alimentation en eau, murs ou écrans parafouille, absence de radier etc. Le dimensionnement du radier vis à vis d un cas considéré comme le plus critique dépend de la position de la nappe. Dans le cas où celle-ci est située au dessus du radier, le cas le plus critique est celui où le sas est vide. 8 En effet, si le radier est totalement imperméable, les pressions interstitielles existant sous le radier ne sont plus compensées par l eau contenue dans le sas. Le radier ainsi que les liaisons radier-bajoyers doivent alors être dimensionnés pour résister aux efforts induits par ces pressions. 8 Si le radier est perméable, un écoulement est amorcé entre les terrains sous-jacents et le sas. Si le gradient associé à cet écoulement est trop important, il risque de déstructurer le terrain et de provoquer un phénomène de renard. 8 Ces deux cas ne peuvent être totalement dissociés. En effet, dans le cas d un radier imperméable, les efforts imposés au radier peuvent provoquer l apparition de fissures et par conséquent le radier initialement imperméable devient perméable. Le risque de renard devient alors réel car l écoulement a lieu dans des sections de petit diamètre d où l existence de forces élevées. Dans le cas où la nappe est située sous le radier, le cas le plus critique est celui où le sas est plein. Le radier et les sols de fondations doivent présenter des caractéristiques mécaniques suffisantes pour résister au poids de l eau. Figure 15 : Diminution des pressions interstitielles sous le radier dans le sens longitudinal. La vidange du sas a tendance à accentuer ces phénomènes et c est pourquoi cette tâche nécessaire à l entretien d une écluse peut mettre en danger la stabilité de l ouvrage. Toutefois, les divers phénomènes qui sont décrits dans cette section et qui peuvent causer la ruine de la structure sont en général précédés de signes (pathologies de la structure, dysfonctionnements) qu il faut savoir reconnaître. Cet objectif sera donc l objet du prochain chapitre. Il s agit donc lors d une mise à sec de diminuer le niveau d eau le plus lentement possible. Partie amont Conclusion Partie aval Les phénomènes qui menacent le plus sûrement la stabilité des écluses sont très souvent associés aux écoulements hydrauliques que l on ne peut pas contrôler. Ils se manifestent de deux manières : 8 Un endommagement du terrain sous l action des gradients hydrauliques trop importants 8 Le développement de pressions interstitielles dans des zones où celles-ci avaient été mal prises en compte. Lors de la vidange du sas, les deux paramètres majeurs qui doivent être mis en évidence sont : 8 La baisse de la hauteur d eau dans le sas qui conditionne la diminution des efforts résistants. 8 La vitesse de vidange qui conditionne le rééquilibrage des pressions interstitielles dans les terrains à l arrière du bajoyer par circulation d eau. 16 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

19 Éléments d évaluation de l état et du comportement d une écluse avant et pendant la mise à sec Ce chapitre est principalement destiné à familiariser les gestionnaires d écluses avec les différents dommages ou pathologies qu ils peuvent être amenés à rencontrer sur les structures et matériaux de ces ouvrages. Un certain nombre d illustrations photographiques sont donc présentées en indiquant, chaque fois que possible, les causes principales et souvent concomitantes de ces dommages. Les aspects relatifs au risque engendré par un dommage sont abordés au 5.6. En général, le risque associé à un dommage dépend de son occurrence et de la vulnérabilité qu il représente pour la structure. Les problèmes induits par le vieillissement d une écluse peuvent être abordés selon trois aspects : 8 ceux résultant d une dégradation naturelle et physico chimique des matériaux exposés aux milieux dans lesquels ils se trouvent, 8 ceux résultant des sollicitations mécaniques s exerçant sur les différentes structures constitutives de l ouvrage, 8 Ceux résultant de l action érosive de l eau et des agents agressifs qu elle transporte, amenés aux contacts des sols et des parois extérieures. Matériels et matériaux : Les maçonneries, le béton armé et le métal (principalement les fers et les aciers). Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Dégradation naturelle et physico-chimique des matériaux Les observations qui vont pouvoir être faites dépendent essentiellement de la nature des matériaux. De manière générale, il convient de distinguer trois grands types de matériaux entrant dans la constitution du génie civil d une écluse : Pathologies des maçonneries La maçonnerie est un matériau essentiellement composite avec des éléments d origines naturelles ou artificielles. Tous les composants d une maçonnerie sont susceptibles de subir des dégradations au cours du temps. Il n est pas envisagé dans les descriptions qui suivent, de donner tous les détails possibles sur les différents processus d altération qui sont très nombreux, complexes et souvent concomitants. De la même façon, les différents procédés de fabrication, de préparation et de pose relèvent de la technologie pure des maçonneries. Pour plus de détails, nous renvoyons les gestionnaires de ces constructions aux nombreux et divers documents scientifiques établis sur ces sujets. Cependant, la reconnaissance précise des différents types de dommages affectant une structure en maçonnerie oblige de les identifier avec un langage commun et donc de s intéresser aux différents constituants de cette maçonnerie. Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 17

20 Pathologies des pierres L altérabilité de celles-ci résulte d un certain nombre de facteurs : 8 Leur composition minérale, la solubilité de certains minéraux constitutifs, la structure des différentes couches qui les composent et en assure plus ou moins la dureté et la gélivité. 8 Des réactions entre le terrain, l eau, l air et les pierres peuvent également dégrader ces dernières. Ces réactions peuvent être amplifiées par la présence de végétaux (algues, lichens, mousses), d organismes vivants (bactéries, mollusques, vers) ou d une eau de percolation agressive (chlorures, sulfates, ph). 8 Un mauvais traitement ou préparation de la pierre : mauvais choix en carrière (pierres avec clivages, inclusions solubles ou expansives), méthodes d extraction ou de taille défectueuses entrainant des endommagements favorables aux dégradations par le gel. 8 Des erreurs de mise en œuvre et notamment de pose (épaisseur trop faible ou parfois l absence des mortiers créant des contraintes locales excessives aux contacts entre les élements ) Tableau n 1 : Dommages et pathologies de la maçonnerie (pierres). Types de dégradation Illustrations Observations Desquamation profonde de la pierre Bajoyer recevant une culée de pont. Pierre tendre et poreuse, de qualités physique et mécanique trop faibles pour être utilisée dans cette zone plus fortement sollicitée de l ouvrage Érosion prononcée des angles des pierres de taille avec amorce de destabilisation géométrique de l appareillage de la chaîne d angle Dommages classiques sur les chaînes d angles des enclaves de portes et / ou des chardonnets et / ou des rainures de batardeau Simple érosion éolienne et / ou hydraulique Altération non rédhibitoire pour la tenue de la structure, dont l apparition et l évolution est favorisée par la texture particuliére du matériau (inclusion, porosité) 18 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

21 Types de dégradation Illustrations Observations Usure prononcée du matériau avec ou sans réduction sensible d épaisseur Appareillage défectueux Pathologies de la brique Dommages classiques sur les élements constitutifs des pieds de bajoyers et / ou en radier, consécutifs au traffic ou par suite de travaux de curage mal conduits Mauvais choix de matériaux ou mauvaise mise en oeuvre Tout matériau de fabrication artificielle et industrielle, constitué d un mélange d argiles ne peut prétendre à l appellation de brique de pays. Le mode industriel par pressage ou filage et tranchage suivi d une cuisson au four traditionnel au charbon dit «Four HOFFMANN» et d une production essentiellement d origine française, correspond à cette qualité d appellation. Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Composante parfois essentielle d un volume important de l ouvrage (surtout pour certains ouvrages du Nord de la France), elles peuvent générer des désordres conséquents et d évolution rapide en raison soit de leur mauvaise composition et fabrication (gélives, poreuses, pourvues d inclusions fragilisantes, de caractéristiques mécaniques hétérogènes et insuffisantes) de dispositions constructives, de poses maladroites (appareillages anormaux, absences de harpage ou de chaînage) ou encore de l exposition prolongée aux sollicitations d exploitation sans entretien préventif. Néanmoins, la brique peut être un bon matériau si elle est bien entretenue et si son vieillissement est maîtrisé. Les écluses sur le Canal du Nord en sont la preuve. Ces désordres vont ainsi rapidement passer de la simple disparition d élements du parement à la formation de cavités d ordre métrique. Dans certains cas, il a été constaté sur des maçonneries de briques datant de 1850 et ayant perdu toute cohésion interne, des phénomènes d effondrement de parement vers le sas sous l action des hélices de bateaux voire d entraînement complet de la paroi par simple déplacement de bateaux avalants. Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 19

22 En règle générale ces désordres se situent le plus souvent : 8 Sur les premiers lits supérieurs situés sous les pierres de couronnement des bajoyers et des têtes. 8 Aux débouchés des aqueducs et larrons. 8 En tête des enclaves de portes. 8 Aux clefs et pieds de voûtes. 8 Entre les niveaux haut et bas de sassée. 8 En parement des radiers. Tableau n 2: Dommages et pathologies de la maçonnerie (briques). Types de dégradation Illustrations Observations Désorganisation plus ou moins profonde et généralisée des élements constitutifs du radier Conséquence de l exploitation (action localisée d un «laminage» abrasif sous la coque des bateaux chariant des débris) et de l absence de nettoyage périodique du radier Abrasion du matériau le plus exposé et le plus erodable aux frottements Conséquence de l exploitation et dans une moindre mesure de l absence de cuirassement Dégradation localisée du matériau le plus tendre Conséquence du choix de la «mixité» des matériaux, avec interposition d un matériau tendre entre deux autres plus durs Désorganisation plus prononcée de la maçonnerie, avec formation de cavité Conséquence des sollicitations mécaniques et des contournements de l étanchéité des chardonnets au sein du massif par des infiltrations 20 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

23 Pathologies des mortiers de hourdage et de joints Les mortiers utilisés dans les maçonneries des parties d écluses sont des mélanges de liant hydraulique (chaux et / ou ciment portland), de sables et d eau. Un mortier dont le liant est un assemblage de ciment et de chaux hydraulique (le plus souvent en proportions égales) est dit mortier bâtard. Dans une maçonnerie, on distingue d une part le mortier de hourdage qui assure la liaison entre les gros éléments constitutifs du massif et du parement et d autre part, le mortier des joints qui, en comblant les volumes entre les éléments appareillés et hourdés, assure l étanchéité du parement. Le rôle des mortiers est double : 8 Rôle mécanique en donnant de la cohésion à l ouvrage pour résister aux sollicitations mécaniques extérieures et en répartissant les efforts de compression entre les blocs. 8 Rôle d imperméabilisation en assurant l étanchéité et en limitant les circulations d eau au sein du massif de maçonnerie. La chaux hydraulique confère au mélange une meilleure «ouvrabilité» et limite son retrait, tout en lui gardant des propriétés de prise et de résistance satisfaisantes. La chaux dite «aérienne» n est en revanche pratiquement plus utilisée. Différentes réactions physico-chimiques peuvent endommager les mortiers sous l influence de conditions d expositions extérieures ou de réactions intérieures. Elles aboutissent en général à la formation de sels insolubles, solubles ou à des composés gonflants : 8 Les sels insolubles (exemple le carbonate de calcium) sont plutôt protecteurs en surface. 8 Les sels solubles entraînés sous l action de l eau donnent une porosité au mortier qui s érode ainsi progressivement. 8 Les composés gonflants peuvent aller jusqu à provoquer un éclatement des maçonneries (gonflements significatif des parements). Dans des cas plus rares et non identifiables de façon uniquement visuelle, des réactions internes (de type alcali-réaction par exemple) peuvent avoir lieu entre la pierre et les mortiers ou au sein de ces derniers et aboutir à l expansion ou la fissuration des joints voire à l éclatement des pierres de la maçonnerie. Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Tableau n 3 : Dommages et pathologies de la maçonnerie (joints). Types de dégradation Illustrations Observations Décollement et expulsion du mortier de pose Situation concomittante à des réactions internes et à l action des eaux (pression interstitielle, érosion puis entraînement ) Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 21

24 Tableau n 3 : Dommages et pathologies de la maçonnerie (joints). Types de dégradation Illustrations Observations Disjointoiement profond des joints de pose et/ou de hourdage À ce stade, on ne perçoit pas encore d anomalie particulière sur l appareillage des pierres (la destruction des joints verticaux est très fréquente mais ne présente pas de danger important tant que les joints horizontaux sont préservés et que des déformations ou des fuites ne sont pas observées) Disjointoiement et décohésion de la maçonnerie des premiers lits sous le courronnement en pierres Cette dégradation est la conséquence d un vieillissement en exploitation, aggravé par l effet «pesant» et «destabilisant» permanent des pierres Pathologies du béton armé Celles-ci résultent d une action sur le béton, les armatures et de l interaction entre le béton et les armatures. Des phénomènes de gonflement, d érosion peuvent affecter le béton tandis que les armatures vont subir la corrosion induite par les différentes réactions. Tableau n 4 : Dommages et pathologies du béton armé. Types de dégradation Illustrations Observations Fissuration biaises ou verticales en dehors des joints de fractionnement, avec passage d eau (en faible débit) Résultant du retrait naturel différentiel du béton entre parties horizontale et verticale, ces désordres n entraînent pas de conséquence particulière sur la stabilité. L importance des infiltrations doit cependant être le facteur déterminant du choix de leur injection lors du chômage Armatures apparentes - Treillis armé déterioré Conséquence d une réalisation et/ou d une conception vraisemblablement défectueuse du béton projeté choisi pour la réparation 22 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

25 Tableau n 4 : Dommages et pathologies du béton armé. Types de dégradation Illustrations Observations Infiltrations et dépots de calcite soulignant les passages d eau au travers des plans de reprises horizontaux Pathologies de l acier Le principal problème est la corrosion qui induit une diminution de la section des pièces de charpente et de leurs soutènements et donc de leur rigidité, ce qui entraîne une augmentation des déformations et des dysfonctionnements mécaniques voire dans certains cas la ruine par rupture des assemblages. Il est important de souligner le fait que les peintures peuvent souvent masquer des désordres qu il convient cependant d attester. Tableau n 5 : Dommages et pathologies de l acier. Conséquence d une part des dispositions constructives ayant privilégié les reprises et d autre part de l absence de drainage et de protection contre les infiltrations en terre-plein Types de dégradation Illustrations Observations Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Corrosion localisée et plutôt superficielle de la tôle de bordé sur vantail de porte aval (coté sas) Conséquence de l effet d aération différentielle du métal due à l alternance immersion / emersion de l élement, ce stade de dégradation n est pas préjudiciable mais justifie une reprise totale du complexe anti-corrosion Corrosion intense de profilés entraînant leur rupture et une instabilité des assemblages Conséquence d une absence totale d entretien sur des dispositions constructives au demeurant compliquées à entretenir Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 23

26 Les sollicitations mécaniques Les actions mécaniques Il s agit avant tout, de comprendre comment et pourquoi les sollicitations mécaniques affectant l ouvrage ont pu évoluer depuis sa réalisation. Outre les chocs et érosions dus à la circulation fluviale et aux interventions pour travaux à l aide d engins mécanisés, diverses actions mécaniques peuvent avoir entraîné des désordres dans le génie civil de l ouvrage. En général, les pathologies issues des sollicitations mécaniques se manifestent le plus souvent par des déformations des profils en long et en travers de la structure (bajoyers et têtes). Elles peuvent être accompagnées localement d une fissuration voire d une fracturation complète des éléments constitutifs de l ouvrage (pierres, briques, ) et pas seulement des joints qui les unissent. Si les phénomènes se poursuivent, les dégradations évoluent rapidement, notamment en présence de circulations d eau importantes consécutives à des pertes d étanchéité. Des décollements du parement apparaissent, des affaissements du terreplein se forment, le radier peut ne pas être épargné avec l apparition de bombements ou de cavités localisées ainsi que d une fissuration / fracturation avec désagrégation sous l effet d un soulèvement. Dans un cas extrême on a même pu constater l effondrement en eau d un parement de bajoyer. Les désordres consécutifs à des sollicitations mécaniques peuvent être classés en deux catégories suivant que leurs manifestations soient relativement récentes (désordres à court terme), ou que leur évolution soit très lente et étalée sur plusieurs années voire plusieurs dizaines d années (désordres à long terme). Les causes possibles de désordres à court terme Toute modification du contexte d équilibre général apportée à l ouvrage luimême ou à son environnement (milieu hydraulique, terrains adjacents) peut conduire à l apparition de désordres plus ou moins importants à court terme. Parmi les causes les plus courantes on peut citer de manière non limitative : Tableau n 6 : Désordre à court terme. Causes Illustrations Types de dégradation La modification de la poussée hydrostatique derrière l ouvrage Déformation globale du profil en long du bajoyer avec ou sans désordres concomittants 24 Guide stabilité des écluses - Voies navigables de France

27 Tableau n 6 : Désordre à court terme. Causes Illustrations Types de dégradation La modification inconsidérée des surcharges verticales pemanentes sur l ouvrage lui-même L augmentation de la poussée sur l ouvrage suite à des travaux de remblaiement défectueux ou de chômage mal conduits L augmentation temporaire et inconsidérée des charges sur les berges et les terrepleins (remblais, dépôts, charges de chantier...) Déformation localisée ayant entrainé une rupture qui a necessité des reprises localisées de la stabilité (battage d un rideau) Destabilisation complète du perré de l éclusette et risque de rupture et d entraînement sous la pression des eaux du bief arrière Déplacement horizontal d une partie de la maçonnerie selon un plan de cisaillement passant par la section la plus sollicitée par ce type de chargement non prévu à l origine Éléments de fonctionnement, de dimensionnement et d évaluation de l état d une écluse Les causes possibles de désordres à long terme On distingue principalement : Tableau n 7 : Désordre à long terme. Causes Illustrations Types de dégradation La modification des sols en place (affouillement, ) Destabilisation du retour de tête aval consécutif à des affouillements (contournement de tête) ayant nécessité un confortement par rideau de soutènement Voies navigables de France - Guide stabilité des écluses 25