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CHAP IV : CALCULS HYDRAULIQUES ET DIMENSIONNEMENT DES OUVRAGES DU RESEAU D’ALIMENTATION

IV.1. Introduction

Afin que l’eau quitte la source jusqu’au point de la consommation, l’Ingénieur passe à l’étude des calculs hydrauliques (le dimensionnement des ouvrages).

Pour notre projet, le quatrième chapitre est réservé aux calculs hydrauliques afin de permettre que l’eau puisse arriver à tous les points souhaités. Pour cela, nous veillons à tous les aspects depuis la source jusqu’à la consommation sans toute fois oublier l’évacuation après usage de notre eau alimentée si nécessaire.

IV.2. Description des ouvrages

  • Les tuyaux ;
  • Les réservoirs ;
  • Les ouvrages accessoires.

IV.2.1. Généralités

Dans son cheminement, depuis le lieu de captage jusqu’au lieu d’utilisation, l’eau passe dans différents ouvrages entre autres les ouvrages de transports, de stockage, de régulation et même de pompage en cas de besoin, etc.

IV.2.2. Les nappes souterraines

On distingue deux types de nappes à savoir :

  • Les nappes libres ;
  • Les nappes captives.

Une nappe libre se définit comme une nappe dont le niveau piézométrique s’établit uniquement en fonction de la perméabilité du terrain à travers lequel pénètre l’eau d’infiltration. L’altitude à laquelle s’établit le sommet de la nappe s’appelle son niveau piézométrique. Les nappes libres correspondent à une circulation dans des terrains perméables où elles ne subissent aucune contrainte et à l’intérieur desquels elles peuvent prendre la forme qui leur est caractéristique.

Le type de nappe libre dont la surface piézométrique est peu profonde s’appelle nappe phréatique. La nappe phréatique est la première nappe rencontrée lors du creusement d’un puits.

L’inconvénient de la nappe phréatique est qu’elle est quasi-totalement polluée sur tout le territoire par les fosses septiques, pesticides, engrais. Elle fournit donc une eau non potable.

 
 

La nappe phréatique proche du sol a tendance à suivre les variations de pluviosité.

Figure IV.1 : Schéma d’une nappe libre

Les nappes captives peuvent se définir comme « nappes » recouvertes par une couche de terrain imperméable ou peu perméable ». Les nappes captives, comme leur nom l’indique, sont à l’inverse des précédentes, prisonnières entre deux couches de terrain imperméable et leur alimentation ne s’effectue que par les affleurements du terrain perméable à l’intérieur duquel elles se trouvent incluses.

Dans les nappes captives, la surface piézométrique peut être située au-dessus du toit. Lorsque le niveau piézométrique de la nappe surplombe le sol, la nappe est dite artésienne. Dans le cas contraire, un forage conduit à un jaillissement spontané.

 
 
 
 

Figure IV.2 : Schéma d’une nappe captive

IV.2.3. Les types de source

Dans la nature, une source constitue l’exécutoire de la nappe phréatique ou gisement, donc elle est un emplacement où les eaux souterraines débouchent à l’air libre. Il existe dans la nature des sources rencontrées sous différentes formes. Trois catégories  principales de présentation de ces sources sont indiquées ci-dessous:

  • Les sources d’affleurement ;
  • Les sources de déversement ;
  • Les sources d’émergence.
  1. Les sources d’affleurement

Elles sont dues à l’affleurement le long de la surface topographique de l’assise imperméable qui supporte la nappe. On assiste à une apparition de l’eau dans une vallée ouverte et dans une formation perméable de roche fissurée. Le fond de la vallée connaît une couche de sol compact et imperméable.

 
 
 
 

Figure IV.3 : Schéma d’une  source d’affleurement

  1. Les sources de déversement

On rencontre les sources de déversement au cas où la vallée est ouverte dans des formations fissurées en surface seulement. Il y des cas où ces fissures ne peuvent avoir de l’eau suite à leur débit généralement faible. Ces sources ne sont pas beaucoup intéressantes à capter.

 
 
 
 

Figure IV.4 : Schéma d’une Source de déversement

  1. Les sources d’émergence

Le fond de la vallée qui n’atteint pas l’imperméabilité est la caractéristique qui présente les sources d’émergence. D’une part, c’est un point de rencontre de l’écoulement avec la surface topographique.

D’autre part, la nappe ne trouve pas l’exutoire au point de rencontre avec la surface topographique, mais qu’en fond de la vallée, l’eau surgisse, remonte de la nappe par cassure verticale du terrain et va prendre un écoulement en direction du ruisseau ou de la rivière proche. Pour ces sources d’émergences, avant le captage, on est conseillé de les observer pendant plusieurs saisons.

 
 
 
 

Figure IV.5 : Schéma d’une  source d’émergence

IV.3. Le captage

IV.3.1. Généralités

Par définition, le captage consiste à collecter les filets d’eau d’une source dans un ouvrage approprié (galerie ou drain) et à les amener dans un petit réservoir visitable sur lequel est branchée la conduite d’alimentation.

En général, il n’y a pas de règles précises pour le captage des sources comme il y a autant de formes de source, il y a aussi autant de formes de captage. Chaque forme a sa spécialité d’être captée.

En effet, dans le captage, on vise beaucoup d’objectifs à savoir :

  • Mettre l’eau émergente à l’abri des agents de pollution externe (travail sur la qualité de l’eau) ;
  • Collecter le maximum de l’eau disponible ;
  • Faciliter aux usagers l’accès à l’eau.

Pour faire un bon captage, il y a beaucoup de paramètres qu’on doit tenir compte entre autre :

  • L’origine et la qualité d’eau qui sont fonction du terrain et de sa perméabilité ;
  • La hauteur de la nappe ;
  • Le sens d’écoulement des filets liquides ;
  • Les variations des débits en toutes saisons ;
  • La nature de la source ;
  • La quantité de l’eau.

En conclusion, toutes ces paramètres et objectifs vont renseigner sur la forme et la dimension de l’ouvrage de captage.

IV.3.2. Débit de la source

Une source découverte ne peut pas toujours être captée. Certaines sources tarissent pendant une certaine période, d’autres donnent un faible rendement, c’est-à-dire qu’il vaut mieux les abandonner d’office. Le débit varie selon la nature des terrains dans lesquels l’eau circule.

Le coefficient de perméabilité interviendra pour accentuer ou diminuer le bombement de la surface supérieur de la nappe selon que les terrains seront faiblement ou très faiblement perméables. Pour une même source, le débit variera avec la hauteur ou puissance en rapport avec l’intensité des précipitations atmosphériques.

Les sources à débit constant en saisons sèches sont plus intéressantes pour l’exploitation. Le choix de la source d’alimentation en eau potable du site sera dicté par la qualité de l’eau de cette source.

En considérant les avantages et les inconvénients que chacune des potentialités des sources déjà aménagées, et en tenant compte des besoins en eau potable de la population de la région nous proposons la source de KARWA qui débite 3l/s.

IV.3.3. Caractéristiques hydrauliques du captage

Les caractéristiques hydrauliques du captage facilitent les Ingénieurs de savoir si la source à capter sera totalement gravitaire ou il y a intervention d’un système de pompage.

De plus, ces caractéristiques montrent que les besoins en eau de la population à alimenter seront satisfaits et qu’ils seront indépendants des fluctuations saisonnières. L’Ingénieur a besoin aussi de la stabilité et la forme  de la pente.

Toutes ces connaissances seront données par les caractéristiques suivantes :

  • Topographie générale et emplacement relatif entre la source et la collectivité à desservir ;
  • Mesure du débit ;
  • Types de sol ;
  • Accessibilité.

IV.3.4. Nature de la source de captage

La nature des terrains à travers lesquels l’eau passe influence beaucoup sur la variation du débit de la source.

Plusieurs paramètres de la source à savoir la perméabilité du terrain, la porosité des grains constituant le sol et le degré de rétention de l’eau présentent une grande influence sur le débit de sortie de l’eau de la source.

Après avoir analysé les caractéristiques de notre source de captage ( avec une altitude de 1631m en amont et 1490m en aval), nous avons conclu que :

  • Notre type de source est d’affleurement ;
  • Le sol est meuble ;
  • Le débit est de 3l/s et il est constant ;
  • L’alimentation sera totalement gravitaire.

IV.3.5. Principe de captage

L’eau de la source est limitée. Il faut capter ce qui est proportionnel avec ce que la nappe donne à l’étiage et le reste est nécessaire pour l’environnement. Le captage de la source se fait par le creusement d’une tranchée (galerie) à l’endroit où se trouve l’eau. Pour cette fin, on prévoit des matériaux drainant qui sont des pierres et on pose par-dessus les tuyaux perforés qui acheminerons l’eau à l’endroit de l’ouvrage de collecte.

En principe, le but du captage est de capter le maximum de l’eau en quantité et en qualité suffisante. Pour y arriver, il faut ériger les galeries captantes dans une direction perpendiculaire au sens d’écoulement souterrain et parallèlement au fond de la vallée.

IV.3.6. Les étapes d’aménagement du captage

Les étapes d’aménagement du captage dépendent de beaucoup de facteurs. Parmi ces facteurs, nous pouvons citer :

  • La nature du terrain ;
  • Le type de source ;
  • La disponibilité des matériaux.

Ces étapes ne sont pas indicatives mais sont des renseignements que les Ingénieurs doivent connaître avant de trouver les solutions à des problèmes bien spécifiques selon le lieu de travail.

  1. Localisation de la source de captage et le marquage de l’aire de la construction ;
  2. réalisation de l’excavation pour déterminer l’origine et la source d’écoulement.

D’une façon générale, l’eau s’écoule soit en plusieurs jets qu’il faut rassembler en un seul écoulement ou bien en un jet bien localisé. L’objectif est d’atteindre un sol sur lequel on pourra implanter les ouvrages de captage : murs de protection, chambre de captage et chambre collectrice.

  1. Réalisation d’un système de drainage autour de la partie excavée pour le captage afin d’évacuer toutes les eaux polluées qui se déversent dans le captage. Il s’agit surtout de la protection contre les eaux pluviales.
  2. préparation des matériaux tels que :
    • moellons ;
    • gravier ;
    • sable ;
    • argile ;

Le sable, le moellon et le gravier servent à bâtir les murs de protection et la chambre collectrice. Le sable et le gravier servent également de filtre dans la chambre de captage.

  1. Suivant les débits d’écoulement des eaux vers les chambres de captage, on pose ensuite une couche d’argile de façon que la zone de captage soit isolée.
  2. Pose d’une crépine c’est-à-dire un tuyau filtrant suivi d’un tuyau de collecte de l’eau vers une chambre collectrice.
  3. Mettre une couche filtrante de gravier et de moellon dans la chambre de captage.
  1. Couvrir la chambre de captage par une couche d’argile ou en papier plastic pour assurer une étanchéité contre l’eau de surface ou toute autre forme de pollution d’origine superficielle ;
  2. couvrir toute la zone de captage par une couche végétale sur laquelle on peut planter du gazon ou autre plantes à racines courtes.
 
 
 
 

Figure IV.6 : Schéma d’exemple de captage

IV.3.6. Chambre collectrice ou chambre de départ

Pour collecter l’eau venue du site de captage, on construit un ouvrage qui a les mêmes principes de construction d’un réservoir. Cet ouvrage porte le nom d’une chambre collectrice ou chambre de départ. Le modèle des chambres collectrices dépend de la quantité d’eau à capter et à distribuer, et encore du traitement que cette eau doit subir.

   
 
 
 
 
 
 
 

Figure IV.7 : Schéma d’une chambre de départ

IV.3.8. Protection des ouvrages de captage

Le site de captage a besoin d’une protection. Cette protection concerne deux éléments principaux à savoir :

  • protection contre l’érosion ;
  • protection contre les accès non autorisés.

Dans la protection contre l’érosion, on creuse des fossés sur tout le périmètre du site qui empêchent l’eau de ruissellement non orientée de détruire les ouvrages. On plante aussi du gazon dans le périmètre de l’ouvrage du captage.

Concernant la protection contre les accès non autorisées, on érige une clôture autour de la zone de captage constituée par des profilés métalliques ou des fils barbelés pour empêcher surtout le bétail dans zone de captage et des gens de mauvaise fois qui ont tendance à y faire une autre activité.

Cependant, compte tenu de la vitesse d’écoulement de l’eau à travers les fissures, la zone de protection sanitaire contre les contaminations et la destruction des ouvrages doit s’étendre sur une distance importante et surtout à l’amont de la galerie.

IV.4. Les ouvrages d’art

Les ouvrages d’art que nous allons définir ici sont les principaux ouvrages qu’on utilise de la chambre collectrice jusqu’au lieu d’approvisionnement de l’eau. Ces ouvrages sont :

  • Les ouvrages de stockage d’eau (Réservoir) ;
  • Les ouvrages de transport (Conduites).

IV.4.1. Ouvrages de stockage d’eau (Réservoir)

L’approvisionnement de l’eau est l’un des éléments préoccupés par l’homme.

Dans un projet d’alimentation en eau potable, on doit résoudre ce problème. Pour trouver la solution, on prend la compensation des fluctuations du besoin de l’homme. Le stockage est le moyen de ne pas gaspiller l’eau. On sait que pendant la nuit, les approvisionnements en eau sont limités et par contre ils sont plus élevés pendant la journée.

IV.4.1.1. Définition et fonction du réservoir

Un réservoir est ouvrage servant à emmagasiner l’eau afin d’être utilisée en cas de pannes ou d’entretien de source. Il permet une régularité dans le fonctionnement du réseau et répond efficacement à des sollicitations régulières d’eau. Il permet aussi la régularité des pressions dans les tuyaux de distribution, en cas d’incendie on fait recours à un réservoir.

Le réservoir présente beaucoup d’avantages dans l’alimentation d’eau et assure aussi la régulation dans le fonctionnement en cas du pompage. Dans les heures de pointe, il assure la répartition des débits maximaux demandés.

IV.4.1.2. Classification des réservoirs

La classification des réservoirs se fait selon :

  • La nature des matériaux ;
  • La situation des lieux ;
  • La forme de la base.

Selon la nature des matériaux, on peut citer :

  • Les réservoirs en béton armé ordinaire ou précontraint ;
  • Les réservoirs en maçonnerie ;
  • Les réservoirs métalliques.

Selon la situation des lieux, on a:

  • Les réservoirs enterrés ;
  • Les réservoirs semi-enterrés ;
  • Les réservoirs surélevés.

Selon la forme de la base, on a :

  • Les réservoirs à base carré ;
  • Les réservoirs à base circulaire ;
  • Les réservoirs à base rectangulaire ;
  • Les réservoirs à base conique.

Les réservoirs les plus utilisés sont de forme circulaire et rectangulaire, mais le choix de l’un ou de l’autre capacité dépendra de la nature du fluide, de sa capacité et de l’emplacement de cet ouvrage. Pour notre étude, nous avons proposé les réservoirs circulaires.

IV.4.1.3. Capacité des réservoirs

Un réservoir est généralement calculé pour satisfaire aux variations journalières de consommations en tenant compte des heures de plus forte consommation. Il doit prévoir emmagasiner ce qui arrive en trop d’une part et d’autre part le volume destiné à être distribué.

Le calcul des capacités des réservoirs tiendra compte des besoins en eau et de la répartition journalière des débits de consommation. Le calcul peut se faire en deux méthodes à savoir :

  • Graphiquement ;

Soit QE et QS, respectivement la quantité d’eau qui entre dans le réservoir par unité de temps et la quantité d’eau qui en sort par unité de temps. Pendant les heures de pointe QS > QE et pendant les heures creuses QS < QE.

Si on appelle VS et VE respectivement le volume sortant et le volume entrant et Vres la capacité du réservoir, on peut écrire ce qui suit :

Au moment de la pointe, la quantité VE - VS est appelée réserve tandis que pendant les heures creuses, cette quantité s’appelle supplément. On définit la capacité théorique d’un réservoir comme la somme de ces deux volumes quand elles atteignent leurs maximums exprimés en valeur absolue. En pratique, la capacité du réservoir est pris à 1,5fois le volume journalier.

Une autre chose importante qui influence la capacité du réservoir, c’est le facteur de variation horaire des consommations suivant la catégorie des bénéficiaires. La REGIDESO propose les coefficients horaires suivants :

En milieu rural :

Temps (h)

0 - 2

2 - 6

6 - 7

7 - 12

12 - 14

14 - 19

19 - 22

22 - 24

Coefficient

0

0,25

1,25

0,25

1

2

0,15

0

En milieu urbain :

Temps (h)

0 - 2

2 - 6

6 - 7

7 - 12

12 - 14

14 - 19

19 - 22

22 - 24

Coefficient

0,38

0,5

1,44

1,5

1,35

1,35

2

0,85

Pour notre réseau d’étude qui est exclusivement villageois, nous allons utiliser ceux du milieu rural.

IV.4.1.4. Principe de calcul

Les tableaux ci-après  sont établis selon les formules et symboles suivants :

Avec :

: Coefficient horaire

: Débit horaire en m3/h

: Débit partiel sortant en m3/h

: Volume partiel sortant en m3

: Volume cumulé sortant en m3

: Volume partiel entrant en m3

: Volume cumulé entrant en m3

: Temps en heures

Ainsi les tableaux suivants donnent résultats

Réservoir pour les villageois de KIGURUKA (QE=0,683m3/h)

Temps

(h)

t

(h)

                 

0 - 2

2

0,00

0,865

0

0

0

0,683

1,366

1,366

1,366

2 - 6

4

0,25

0,865

0,216

0,864

0,864

0,683

2,732

4,098

3,234

6 - 7

1

1,25

0,865

1,081

1,081

1,945

0,683

0,683

4,781

2,836

7 - 12

5

0,85

0,865

0,735

3,675

5,62

0,683

3,415

8,196

2,576

12 - 14

2

1,00

0,865

0,865

1,73

7,35

0,683

1,366

9,562

2,212

14 - 19

5

2,00

0,865

1,73

8,65

16

0,683

3,415

12,977

-3,023

19 - 22

3

0,15

0,865

0,129

0,387

16,387

0,683

2,049

15,026

-1,325

22 - 24

2

0,00

0,865

0

0

16,387

0,683

1,366

16,392

-0,005

La capacité théorique

La capacité pratique

Réservoir pour les villageois de KIZIBA (QE=1,075m3/h)

Temps

(h)

t

(h)

                 

0 - 2

2

0,00

1,361

0,00

0,00

0,00

1,075

2,15

2,15

2,15

2 - 6

4

0,25

1,361

0,340

1,36

1,36

1,075

4,30

6,45

5,09

6 - 7

1

1,25

1,361

1,701

1,701

3,061

1,075

1,075

7,525

4,464

7 - 12

5

0,85

1,361

1,156

5,78

8,841

1,075

5,375

12,90

4,059

12 - 14

2

1,00

1,361

1,361

2,722

11,563

1,075

2,15

15,05

3,487

14 - 19

5

2,00

1,361

2,722

13,61

25,173

1,075

5,375

20,425

-4,059

19 - 22

3

0,15

1,361

0,204

0,612

25,785

1,075

3,225

23,650

-2,135

22 - 24

2

0,00

1,361

0,00

0,00

25,785

1,075

2,15

25,80

0,015

La capacité théorique

La capacité pratique

Réservoir pour les villageois de KARAMBI (QE=1,680 m3/h)

Temps

(h)

t

(h)

                 

0 - 2

2

0,00

2,127

0,00

0,00

0,00

1,680

3,36

3,36

3,36

2 - 6

4

0,25

2,127

0,531

2,124

2,124

1,680

6,72

10,08

7,956

6 - 7

1

1,25

2,127

2,658

2,658

4,782

1,680

1,68

11,76

6,978

7 - 12

5

0,85

2,127

1,807

9,035

13,817

1,680

3,40

20,16

6,343

12 - 14

2

1,00

2,127

2,127

4,524

18,071

1,680

3,36

23,52

5,449

14 - 19

5

2,00

2,127

4,254

21,27

39,341

1,680

8,40

31,92

-7,421

19 - 22

3

0,15

2,127

0,319

0,957

40,298

1,680

5,04

36,96

-3,338

22 - 24

2

0,00

2,127

0,00

0,00

40,298

1,680

3,36

40,32

0,022

La capacité théorique

La capacité pratique

Réservoir de GATABO (QE=2,05 m3/h)

Temps

(h)

t

(h)

                 

0 - 2

2

0,00

2,596

0,00

0,00

0,00

2,05

4,10

4,10

4,10

2 - 6

4

0,25

2,596

0,649

2,596

2,596

2,05

8,2

12,30

9,704

6 - 7

1

1,25

2,596

3,245

3,245

5,841

2,05

2,05

14,35

8,509

7 - 12

5

0,85

2,596

2,206

11,03

16,871

2,05

10,25

24,60

7,729

12 - 14

2

1,00

2,596

2,596

5,192

22,063

2,05

4,10

28,70

6,637

14 - 19

5

2,00

2,596

5,192

25,96

48,023

2,05

10,25

38,95

-9,073

19 - 22

3

0,15

2,596

0,389

1,167

49,19

2,05

6,15

45,1

-4,090

22 - 24

2

0,00

2,596

0,00

0,00

49,19

2,05

4,10

49,20

0,01

La capacité théorique

La capacité pratique

Réservoir pour les infrastructures à KARAMBI(QE=0,821 m3/h)

Temps

(h)

t

(h)

                 

0 - 2

2

0,00

1,039

0,00

0,00

0,00

0,821

1,642

1,642

1,642

2 - 6

4

0,25

1,039

0,259

1,036

1,036

0,821

3,284

4,926

3,89

6 - 7

1

1,25

1,039

1,298

1,298

2,334

0,821

0,821

5,747

3,413

7 - 12

5

0,85

1,039

0,883

4,415

6,749

0,821

4,105

9,852

3,103

12 - 14

2

1,00

1,039

1,039

2,078

8,827

0,821

1,642

11,494

2,667

14 - 19

5

2,00

1,039

2,078

10,39

19,217

0,821

4,105

15,599

-3,618

19 - 22

3

0,15

1,039

0,155

0,465

16,982

0,821

2,463

18,062

-1,62

22 - 24

2

0,00

1,039

0,00

0,00

19,682

0,821

1,642

19,704

0,022

La capacité théorique

La capacité pratique

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