Arrow Table de matières
5895414

CHAPITRE IV DRAINAGE, HYDROLOGIE ET ASSAINISSEMENT ROUTIER

L’eau étant un des agents causals de dégradation d’une route, dans ce chapitre nous allons parler de la climatologie qui est aussi à son tour un facteur de la pluviométrie ; de ruissellement des eaux de la pluie et de sa gérance par les équipements indépassables à  la sécurité des usagers de celle-ci. Nous allons aussi étudier les mesures d’entretiens de la route pour sa bonne tenue.

Études Hydrologiques et Drainage

Par définition, l’hydrologie se résume à l’étude des eaux superficielles (UNESCO 1985, 21). Elle nous a aidé à rassembler puis exploiter les données permettant d’évaluer le débit pour les bassins versants ou pour les cours d’eau ; d’évaluer aussi, pour divers périodes de récurrences, les caractéristiques des crues à savoir : NPHE vitesse, débit de calculs.

Un drain ou pierrée est un tuyau de drainage souvent posé au pied des fondations d'un bâtiment mais aussi dans différents ouvrages de génie civil, pour évacuer le surplus d'eau du sol. Il peut être connecté au réseau d'eaux pluviales du secteur, à un bassin de pompage ou à un fossé. Il s'agit habituellement d'un tuyau de plastique (PVC ou PE) perforé, enveloppé d'un géotextile retenant le sable et les fractions « fines » des terrains (afin d'éviter qu'ils ne colmatent les trous). Il est recouvert d'une couche de gravier grossier (grain d'environ 30 millimètres), et accessoirement recouvert d'un second feutre qui constitue la « chemise du drain ».

            Bref, le drainage c’est une évacuation des eaux de surface ou des eaux souterraines excédentaires par des fossés ou par des canalisations, dans un but d'assainissement.

Le tracé de la chaussée pour notre cas se trouve à quelques mètres de la ravière Ruzizi, et cette dernière peut avoir de l’impact négatif sur l’état de la chaussée et de sa durabilité aux cas où cette dernière est mal dimensionnée (construite).

Figure 25 : Drainage d’une Chaussée

Source : mémoire Toyi Yves 2013, 71

Le drainage de la plate-forme et les ouvrages d’assainissement comprennent :

Les ouvrages de drainage longitudinal comprenant les fosses trapézoïdaux en terre ou maçonnés ;

Les dispositifs de collecte des ruissellements de la plate-forme et ses abords comprenant les fosses de crête en terre ;

 Les buses en béton arme Ø 800 et Ø 1000mm y compris puisards et ouvrages de tète amont en maçonnerie et enrochements en aval ;

 Un double dalot en béton armé de dimensions 4x2, 5m y compris les ouvrages de tète amont et aval en béton armé ;

 Les ouvrages de protection et de soutènement, notamment les murs en maçonnerie et en gabions, les enrochements et les aménagements spéciaux de protection contre les érosions des sols de surface.

On distingue deux types de drainage :

Le drainage profond, dont le but est l’élimination de l’eau qui peut être présente dans le sol.

Il peut avoir deux origines :

Origine externe (infiltration des eaux de pluies à travers les valves, les accotements ou la chaussée) ;

Une origine interne (nappe captive ou en mouvement : sa circulation peut se faire par l’écoulement gravitaire, diffusion ou remontée capillaire.

Le chainage superficiel dont le but est l’évacuation des eaux de ruissèlement.

Drainage Profond de la Chaussée Projetée

Afin de prévenir les conséquences, souvent néfastes, dues à la présence de l’eau dans le corps de la chaussée. Lesquelles conséquences sont souvent la perte de capacité portante de la chaussée. Et surtout que le projet se trouve dans une région dont la pluviométrie est parfois intense et élevée, nous proposons la mise en place des drains, pour évacuer les eaux dans le corps de la chaussée, dont l’origine est généralement l’infiltration, parfois aussi la remontée du niveau de la nappe.

Figure 26  : Drainage Profond d’une Chaussée

Source :Mémoire Toyi Yves 2013, 72

Drainage Superficiel

            Les ouvrages essentiels de collecte et d'évacuation des eaux superficielles sont constitués par :

Les fossés ;

Les ouvrages de transition ;

Les petits ouvrages transversaux (buses et dalots).

Fossés

La section du fossé doit être suffisante pour collecter, sans débordement, les eaux de la plate-forme (chausse et accotements), ainsi que les autres dépendances de l’emprise (surface du talus) et éventuellement de l'extérieur dans la mesure où la superficie intéressée est une faible fraction de celle de l'ensemble du bassin drainé par le fossé.

Une pente minimale de 2,5 mm/m doit être respectée et il est important de vérifier à cette occasion les vitesses maximales afin de prévenir l'érosion.

Erosion des fossés : destruction du fond de canal suite à une forte vitesse d'écoulement d’eau.

Ouvrages de Transition

            Ils assurent soit une fonction de transition (déviation, entonnement, franchissement,...) soit une fonction antiérosive (fosse de crête, descente,…..). Les ouvrages de transition les plus importants sont les regards : assurant généralement la liaison entre la collecte de surface et les évacuateurs enterres.

 

Figure 27 : Différents Types de Drains

            Source : Investigation personnelle

Pose des Drains

Les tuyaux sont posés d'aval en amont, les emboîtements femelles étant dirigés vers l'amont.  Au droit des chambres de visite, des tuyaux d’une longueur maximale de 1 m sont posés.  Chaque tuyau est serré contre le précédent au moyen d'un appareil exerçant une force axiale sur le tuyau, sans qu’aucun contact métallique ne soit exercé directement sur le tuyau. 

Les tuyaux reposent sur toute la longueur de leur corps. Un espace de 5 à 8 mm reste libre entre les abouts mâle et femelle.

Les tuyaux sont placés en ligne droite entre les chambres de visite et respectent les pentes et/ou les niveaux prescrits avec les tolérances suivantes entre chambres de visite:

Tableau 8 : Diamètre de Différents Types de Drains

Pente

DI< 80 cm

DI 80 cm

i  1%

30 mm

60 mm

i  1%

40 mm

80 mm

Source : Investigation personnelle

Effets de l’Eau sur la Route

Il est illusoire de penser qu’une chaussée sera exempte d’eau, néanmoins on peut prévoir un dispositif de drainage qui concentre et canalise ces venues d’eaux vers l’extérieur de la plate-forme le plus rapidement possible. Concevoir un drainage n’est pas forcément nécessaire dans tous les projets neufs (chaussées à faible trafic, absence de poids lourds, contexte hydrogéologique et hydrologique favorable, qualité des matériaux …), mais préalablement, une analyse rigoureuse et des investigations poussées devront être menées avec des spécialistes des chaussées :

Les eaux infiltrées dans une chaussée (absence de drainage ou défaut d’assainissement) provoquent une détérioration rapide des ouvrages ;

L’effet de « pompage » pendant les cycles gel-dégel détériore les performances des matériaux et, à terme, est responsable de la ruine de l’ouvrage ;

Les chaussées souples sont particulièrement vulnérables à la teneur en eau notamment celles traitées avec des GNT ;

Les couches de roulement en béton bitumineux ne sont pas étanches, les défauts d’entretien courant et le vieillissement des enrobés accroissent la perméabilité ;

Les interfaces des matériaux et les rives des chaussées sont des zones critiques ;

Les variations de la teneur en eau des matériaux constituant le corps de chaussée influent considérablement sur ses caractéristiques mécaniques.

Assainissement Routier

Pluviométrie du Site

Le climat voit l'alternance de neuf mois de pluie et trois mois de saison sèche, il s’agit d’un climat tropical humide des montagnes. Les précipitations moyennes (en mm d’eau) enregistrées sont illustrées par le diagramme suivant le constat fait sur plusieurs années :

Tableau 9 : Pluviométrie dans la Zone du Projet

Source : Station météorologique de Kavumu 2014

Calcul du Débit

                        Le calcul du débit d’eaux pluviales à évacuer est effectué par la méthode rationnelle.

Elle est couramment utilisée pour la prévision des crues des bassins-versants illustré  sur l’image ci-après :

Figure 28 : Vue Aérienne du Bassin Versant du Site du Projet

Source : Google earth 2015

La formule utilisée est la suivante :

Q=KCIA

Où:

Q- débit de pointe à la sortie du B.V ;

C- coefficient de ruissellement ;

I- Intensité de la pluie ;

A- Superficie du B.V ;

K- coefficient de forme.

Coefficient de Ruissellement

            C’est le rapport du volume d’eau ruisselée et le volume d’eau tombée à la surface du bassin versant. Ce coefficient varie selon la nature du sol, la végétation, la pente du bassin versant, la durée de l’averse ainsi que l’intensité des précipitations.

Il se détermine par la relation suivante :

C=

            : Volume d’eau ruisselée ;

             : Volume d’eau tombée.

Valeurs du Coefficient de Ruissellement en Fonction de la Nature du Sol

Zone d’habitation traditionnelle très dense : 0,8

Zone d’habitation dense : 0,7

Zone boisée, jardin : 0,1

Zone non boisée ou habitation dispersée : 0,4

La valeur de C varie entre 0,1 et 0,9 en fonction de la nature de revêtement. Pour plus des détails, voir le tableau suivant :

Tableau 10 : Nature de C en Fonction de Revêtement

Nature de la couverture végétale

Valeur de C

Pente

Pente

Pente

Pente

moins de 5 %

de 5 à 10 %

de 10 à 30 %

plus de 30 %

Plateforme et chaussées de routes.

0,9

0,9

0,9

0,9

Terrain dénudé, ou à végétation non couvrante.

0,8

0,85

0,9

0,9

Terrain attaqué par l’érosion.

Petite brousse.

0,65

0,7

0,75

0,8

Culture couvrante, céréales.

Prairies.

0,3

0,35

0,45

0,5

Brousse dense, savane.

Forêt ordinaire en futaie.

0,2

0,25

0,3

0,45

Grande forêt primaire.

0,18

0,2

0,25

0,3

Source : Setra 2013,67

Nous allons utiliser C=0,9 pour les eaux de ruissellement de la chaussée, du fait que le revêtement de la chaussée est imperméable.

Tableau 11 : Fréquences des Pluies d’Orage de 24h au Sud-Kivu/RDC

Intervalle de récurrence

(année)

Facteurs d’intensité de

Pluie

Orage de 24h

(mm)

2

1

65

5

1,3

82,4

10

1,49

101,4

15

1,73

109,8

25

1,92

120,2

Source : Station météorologique de Kavumu 2014

On va utiliser l’orage de 24h correspondant à l’intervalle de récurrence de 15 ans car  la durée de service de la chaussée est de 15 ans.

D’où I= 103,8mm/h

            I= = 1,270. m/sec

Superficie du Bassin d’Apport

L’essentiel des eaux de ruissellement qui déboucheront dans les fossés provient de la chaussée. Donc la superficie d’apport correspond à la partie de la chaussée dont les eaux ruissellent vers le caniveau considérer.

Tableau 12 : Paramètres des B.V d’Apport de notre Chaussée sur la Rive de la RDC

No

Chainage

Longueur en m

Pente

 en %

Altitude

amont en m

Altitude

aval en m

Dénivelé

 en m

1

PK0+000-PK1+100

1100

0,036

1050

1010

40

2

PK1+100-PK1+770

670

0,074

1010

960

50

3

PK1+770-PK2+100

330

0,180

960

900

60

4

PK2+100-PK3+000

900

0,055

900

850

50

 

Source : Investigation personnelle

Tableau 13 : Paramètres des B.V d’Apport de notre Chaussée sur la Rive du Rwanda

No

Chainage

Longueur en m

Pente

en %

Altitude

amont en m

Altitude

aval en m

Dénivelé

en m

1

PK0+000-PK1+620

1620

0,061

1200

1100

100

2

PK1+620-PK2+110

490

0,204

1100

1000

100

3

PK2+110-PK3+000

890

0,022

1000

980

20

4

PK3+000-PK3+670

670

0,104

980

1050

70

5

PK3+670-PK4+120

450

0,155

1050

980

70

6

PK4+120-PK5+110

990

0,060

980

920

60

7

PK5+110-PK6+000

890

0,022

920

900

20

 

Source : Investigation personnelle

Tableau 14 : Superficies des B.V d’Apport sur la Rive de la RDC

No

Largeur du B.V d’apport

Longueur du B.V d’apport en m

Superficie du B.V

d’apport en

Amont

Aval

Amont

Aval

1

4,5

1

1100

4,5

4950

2

4,5

1

670

4,5

3015

3

4,5

1

330

4,5

1485

4

4,5

1

900

4,5

4050

 

Source : Investigation personnelle

Tableau 15 : Superficies des B.V d’Apport sur la Rive du Rwanda

No

Largeur du B.V d’apport

Longueur du B.V d’apport en m

Superficie du B.V

d’apport en

Amont

Aval

Amont

Aval

1

4,5

1

1620

4,5

7290

2

4,5

1

490

4,5

2205

3

4,5

1

890

4,5

4005

4

4,5

1

670

4,5

3015

5

4,5

1

450

4,5

2025

6

4,5

1

990

4,5

4455

7

4,5

1

890

4,5

4005

Source : Investigation personnelle

Coefficient de Forme Coefficient de Frühling

Ce coefficient est détermine de la manière suivante :

Si le rapport ≥2   K=1-0,005  bassin de forme allongée

Si rapport  2   K=1-006  bassin de forme ramassée

Où :     L- longueur du B.V, de l’extrémité amont jusqu’au point de calcul ;

l- largeur moyenne du B.V ;

d- distance à vol d’oiseau entre le centre de gravité du B.V et le point de calcul de        l’écoulement.

S’agissant de notre travail, du fait que la chaussée est à 2 versants. La largeur de la superficie d’apport du caniveau de chaque côté de la chaussée équivaut à la moitié de la plate-forme de la chaussée, qui est égale à 4,5 m.

Tableau 16 : Coefficients de Forme des B.V de la Chaussée projetée sur la Rive de la RDC

No

Longueur du B.V d’apport

en m

Largeur du B.V d’apport en m

Rapport L/l

Distance

de d en m

Coefficient de forme

K=1-0,005

1

1100

4,5

244,44

550

0,8341

2

670

4,5

148,88

335

0,8705

3

330

4,5

73,33

165

0,9091

4

900

4,5

200

450

0,8500

 

Source : Investigation personnelle

Tableau 17 : Coefficients de Forme de B.V de la Chaussée projetée sur la Rive du Rwanda

No

Longueur du B.V d’apport

en m

Largeur du B.V d’apport en m

Rapport L/l

Distance

de d en m

Coefficient de forme

K=1-0,005

1

1620

4,5

360

810

0,7987

2

490

4,5

108,88

245

0,8893

3

890

4,5

197,77

445

0,8508

4

670

4,5

148,88

335

0,8705

5

450

4,5

100

225

0,8939

6

990

4,5

220

495

0,8426

7

890

4,5

197,77

445

0,8508

Source : Investigation personnelle

Détermination du Débit d’Ecoulement

Q=KCIA

Tableau 18 : Débits d’Ecoulement des Caniveaux du Projet sur la Rive de la RDC

No

Coefficient C

Coefficient K

Pluviométrie

 I en m/sec

Superficie

A en

Débit Q en /sec

Amont

Aval

Amont

Aval

1

0,9

0,8341

1,270.

4,5

4950

4,29.

4,71.

2

0,9

0,8705

1,270.

4,5

3015

4,47.

2,99.

3

0,9

0,9091

1,270.

4,5

1485

4,67.

1,54.

4

0,9

0,8500

1,270.

4,5

4050

4,37.

3,93.

 

Source : Investigation personnelle

Tableau 19 : Débits d’Ecoulement des Caniveaux du Projet sur la Rive du Rwanda

No

Coefficient C

Coefficient K

Pluviométrie I en m/sec

Superficie

A en

Débit Q en /sec

Amont

Aval

Amont

Aval

1

0,9

0,7987

1,270.

4,5

7290

4,10.

6,65.

2

0,9

0,8893

1,270.

4,5

2205

4,57.

2,24.

3

0,9

0,8508

1,270.

4,5

4005

4,37.

3,89.

4

0,9

0,8705

1,270.

4,5

3015

4,47.

2,99.

5

0,9

0,8939

1,270.

4,5

2025

4,59.

2,06.

6

0,9

0,8426

1,270.

4,5

4455

4,33.

4,29.

7

0,9

0,8508

1,270.

4,5

4005

4,37.

3,89.

Source : Investigation personnelle

Même si nous avions calculé le débit d’écoulement séparément (sur la rive de la RDC et sur la rive du Rwanda), nous allons faire la comparaison et adopter les valeurs correspondant aux débits extrêmes sur les deux rives car d’après tout, ce sont de valeurs à adopter pour un même projet.

D’où : =4,67. /sec

            =6,65. /sec

Détermination des Paramètres des Sections Liquides des Caniveaux

Les formes standards de caniveaux sont :

Caniveau à section rectangulaire ;

Figure 29 : Caniveau Rectangulaire

                                                                       

Source : Investigation personnelle

Caniveau à section trapézoïdale ;

Figure 30 : Caniveau Trapézoïdal

Source : Investigation personnelle

Caniveau à section parabolique.

Figure 31 : Caniveau Parabolique

Source : Investigation personnelle

Nous allons utiliser les caniveaux à section trapézoïdales car ils sont plus rationnels et aident à stabiliser les talus.

Figure 32 : Schéma de Calcul du Caniveau Trapézoïdal

Source : Investigation personnelle

m- coefficient d’écartement ou d’accolement des parois obliques

L=B=h

b- largeur du fond du canal.

B- largeur au miroir de la section : largeur de la section d’écoulement au niveau de la surface libre.

B=b+2a=b+2mh

section mouillée : partie de la section du canal limitée par les parois et la surface libre.

A= (B+b) h= (b+2mh+b) h= (2b+2mh) h

A= (b+mh) h

λ- périmètre mouillée : longueur de la surface d’écoulement en contact avec le lit (fond + berges), c’est-à-dire le périmètre de la section d’écoulement auquel on retranche la largeur au miroir B.

λ=b+2B=b+h

λ= b+h

R- rayon hydraulique : c’est une longueur caractéristique définie par

V- vitesse d’écoulement : c’est le rapport V=Q/A, débit sur section mouillée.

V=C

Avec : C- coefficient de CHEZY ou de vitesse

            R- rayon hydraulique

i- pente du canal

C=

D’où V=  .   , n= =

n : rugosité

Q- Formule universelle du débit

Q=V.A =  .   .A

Q=  .  .   .A

Dimensionnement des Caniveaux

Tableau 20 : Valeurs de  selon la Nature des Parois

Nature des parois

Valeur

Maçonnerie de pierres de taille, bon revêtement en béton

80-90

Béton brut de coffrage

70-80

Bonne maçonnerie

60-70

Rigole en terre sans végétation, roche brute, sans revêtement

40

Revêtement parfaite lisse

102

Source : investigation personnelle

Les caniveaux de notre projet seront exécutés en bonne maçonnerie de moellons, d’où

Nous allons majorer les débits de 20%, pour tenir en compte les eaux provenant de l’inondation des talus bordant la route. Généralement les eaux de ruissellement provenant du B.V de la région sont évacuées via les cours d’eau et ruisseaux.

=4,67. /sec x 1,20=5,604. /sec

            =6,65. /sec x 1,20= 7,98. /sec

La meilleure façon de gérer les profils trapézoïdaux est de se fixer, selon un critère de référence donnée un gabarit typique matérialisé par un nombre  (égal au rapport de profil =largeur de fond / profondeur). En effet, en introduisant et en fixant le rapport, tous les autres paramètres géométriques deviennent une fonction d’une seule variable qu’est la hauteur d’écoulement H.

Pour bien gérer les profils à ciel ouvert (trapézoïdales), on se base sur les relations suivantes :

et

Pour un dimensionnement économique, les paramètres d’entrée (indépendants de la nature des matériaux) sont les suivants :

Tableau 21 : Paramètres des Caniveaux Trapézoïdaux

Paramètre d’entrée

Profil trapézoïdal

Ouvert

Protégé

 

1.155

0.674

 

0.577

0.577

 

0.500

0.500

Source : Investigation personnelle

Choix de la vitesse d’écoulement :

Elle doit être supérieur à la vitesse minimum favorisant l’auto-curage, soit pour une section trapézoïdale économique, Vmin=0.5m/s (cf. tableau ci-dessus).

Nous adoptons pour ce fait une vitesse V= 0.6m/s

Calcul de la section mouillée :

Sachant que Q= v×A d’où 

La hauteur H :

De la formule A= (λ+p) H2 nous tirons

Nous adoptons H=0,5 pour des raisons d’exécution.

Emprise au sol ou grande base du canal :

B = (λ + 2p) H = (1,155 + 2×0,577) ×0,50= 1,15m

Petite base b :

b = H λ = 0,5×1,155 = 0,57m soit 0,6m        

Coefficient d’accolement m :

 , ce qui donne :

Or p = cotgα donc m = 0,577 

Rayon hydraulique :

Calcul du périmètre Mouillé :

X= = 0,0221m

Tirant d’eau h :

A=

A=

0,577

La résolution de cette équation du second degré conduit au raisonnement suivant :

= =

= 0,02164

= -1,0615

h2 est à rejeter car h ne peut pas être inférieur  à 0.

Nous adoptons donc h=0,022m

Largeur au miroir B’ (surface libre de l’eau) :

=b+2

= 0,6+2 =0,6253m

Pente du canal :

Valeur de n dans le modelé de Kerby

Surfaces dites imperméables, n=0,02

Surfaces gazonnées=0,10

Sol compacte dont la surface est plane=0,01

Pour notre cas nous allons prendre n=0,02 car il s’agit d’une surface imperméable

Soit 0,03% mais nous, nous allons adopter 0,5%

Tableau 22 : Tableau Récapitulatif des Résultats

Désignation

Dimension (m)

Emprise au sol B

1.15

Largeur au miroir B’

0.6253

Hauteur du canal H

O.5

Tirant d’eau h

0.022

Petite base du canal b

0.6

Coefficient d’accolement m

0.577

Section mouillée A

0.0133 m2

Périmètre mouillé X

0,0221

Rayon hydraulique RH

0.6

Vitesse

0.6m/s

Pente du canal i

0,5%

Source : Investigation personnelle

Figure 33 : Profil Type du Caniveau Conçu

Source : Investigation personnelle

Dimensionnement des Buses

            Il existe deux types de buses qui sont couramment utilisées de nos jours : les buses en béton et les buses métalliques. Les choix entre ces deux types d’ouvrages dépend des critères économiques liés aux manutentions, les buses en béton dépassent rarement les diamètres =1,2m tandis que les buses métalliques peuvent avoir plusieurs mètres de diamètre. Les buses en béton nécessitent une fondation rigide (en béton) tandis que les buses métalliques sont posées sur une fondation souple et font corps avec le remblai qui doit être parfaitement compacté (Amadou 2006,12).

            Les deux types de buses sont utilisés exclusivement dans des sections où l’on dispose d’une hauteur suffisante de remblai pour avoir au-dessus de l’ouvrage. Pour des faibles hauteurs de remblai, on utilise les buses arches qui ont des sections aplaties par le bas. Pour des raisons de nettoyage, la buse dit avoir une section minimale D 0,8m.

Pour notre projet nous utiliser les buses en béton.

Le diamètre de la buse est déterminé en fonction du débit d’écoulement.

La hauteur du canal du caniveau est 0,5m et la largeur au miroir est 0.6253m, on adopte un diamètre de 0,8m pour la buse pour un bon écoulement des eaux avec une longueur de 1,8m

Figure 34 : Dimensions de la Buse à utiliser pour la Chaussée Projetée

Source : Investigation personnelle

Partager ce travail sur :