CHAP V CALCULS HYDRAULIQUES ET DIMMENSIONNEMENT DU RESEAU DE DISTRIBUTION

V.1. Introduction

Nous passons  aux calculs hydrauliques et au dimensionnement du réseau de distribution  après avoir déterminer les besoins des bénéficiaires de tout le réseau afin de vérifier si l’eau à distribuer arrivera à tous les points de puisage désirés.

Lors de la planification d’un réseau, on cherchera le tracé le plus direct entre la source et le réservoir. De préférence, ce tracé empruntera la proximité des voies publiques afin de faciliter l’approvisionnement des chantiers ainsi que les réparations.

La conduite, enterrée pour sa protection, présentera un profil aussi régulier que possible, n’étant pas nécessairement celui du sol. Pour limiter le nombre de points hauts, des surprofondeurs et des sousprofondeurs sont parfois inévitables. On devra aussi vérifier que le profil piézométrique se maintient au dessus du sol afin de s’assurer que la conduite reste constamment pleine. Des ventouses sur les points hauts et des décharges aux points bas du réseau ne seront pas oubliées.

En ce qui concerne le système d’alimentation, on a 2 choix :

1° le système gravitaire :

C’est un système d’alimentation utilisé lorsque le point de captage est situé à une altitude supérieure à celle des réservoirs de distribution.

C’est un système d’alimentation en eau potable plus économique et pratiquement les conduites ne subissent pas de coups de bélier.

2° le système de pompage :

C’est celui utilisé lorsque le point de captage de l’eau se situe à un niveau relativement inférieur par rapport au lieu à desservir à l’aide d’une pompe qui refoule l’eau jusqu’à un niveau supérieur

 

V.2.  Système d’alimentation adoptée.

Nous venons de voir qu’un système d’alimentation est dicté par la topographie du lieu de captage, du cheminement de l’eau captée et du lieu à desservir.

Pour notre cas, nous allons utiliser le système gravitaire car notre source MAHORO se trouve à une altitude supérieure à celle des endroits de puisage.

V.3. Ouvrages de conduites.

V.3.1. Tuyaux

C’est l’élément essentiel dans le transport de l’eau.                                                 Les tuyaux doivent certes avoir des qualités telles que :

• L’étanchéité ;
• La résistance à la pression interne ;
• La résistance aux efforts extérieurs (compression, cisaillement ou poinçonnement) ;
• Un bon coefficient d’écoulement ;
• La facilité de pose.

On distingue 4 catégories de tuyaux suivant la matière dont ils sont faits :

1. Tuyaux en matière plastique ;
2. Tuyaux en fonte ;
3. Tuyaux en acier ;
4. Tuyaux en béton.
5. les tuyaux en matière plastique

Ils sont employés dans les petites distributions d’eau potable. Deux variétés les plus rencontrés sont :

• Le polychlorure de vinyle (PVC) : rigide et thermoplastique, résiste aux pressions de 6, 10, et 16 bars ;

Il est de nos jours le plus utilisé en raison de sa légèreté, résistance à la corrosion, facilité de pose et moins de perte de charge. Sur le marché, on y trouve les diamètres nominaux de 20, 25, 32, 40, 50, 63, 75, 90, 110, et 160 mm. Le calcul du diamètre intérieur (DI) permet de trouver le diamètre extérieur (DE), le diamètre nominal (DN) et la pression nominale (PN) convenables en utilisant le tableau en annexe.

• Le polyéthylène (PE) : souple et thermoplastique, résiste aux pressions de 4, 6, 10, et 16 bars.

1. b) les tuyaux en fonte

Ils nécessitent des précautions à la manutention. Ils résistent aux pressions nominales comprises entre 16 et 40 bars. La fonte ductile est la plus utilisée aux diamètres nominaux de 60, 80, 100, 125, 150, 175, 250, 300, 400, 450, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, et 1250.

1. c) les tuyaux en acier

Ils sont particulièrement employés pour les grandes distances et aux débits élevés avec des fortes pressions allant au-delà de 40 bars. L’acier galvanisé (AG) étant le plus utilisé avec des diamètres nominaux ½’’, ¾’’,   1’’, 1’’¼, 1’’½, 2’’, 2’’½, 3’’, et 4’’.

NB : 1pouce=1’’=2,54 cm

V.3.2. Les accessoires à la conduite d’alimentation

La gestion d’un réseau de distribution d’eau exige un recours à de nombreuses pièces d’équipements hydrauliques :

1. a) les vannes

Elles servent à arrêter ou laisser passer l’eau dans une direction. Il existe plusieurs types de vannes satisfaisants aux besoins variés :

• Les vannes d’isolement : permettant d’isoler du réseau certains tronçons que l’on veut inspecter, réparer ou entretenir ;
• Les vannes à clapet anti - retour : permettant de diriger l’écoulement dans une seule direction ;
• Les vannes de réduction de pression : permettant de ramener la pression à une variable souhaitable.

1. b) les ventouses

Elles permettent d’évacuer de l’air emprisonné dans la conduite. Les ventouses sont placées aux points hauts de la conduite.

1. c) les vidanges, décharges ou purges

Elles permettent de vidanger ou de nettoyer la conduite. Elles sont placées aux points bas de la conduite.

1. d) les compteurs

Elles permettent de contrôler les pertes d’eau en mesurant le débit.

     

V.3.3. Dimensionnement des conduites.

 

Ø Schéma de Fonctionnement du réseau RUCE – RUGAZI

V.3.3.1. Profil en long et emplacement des ouvrages

Le profil en long est obtenu à partir des levés topographiques ; Ces mesures permettent de trouver les altitudes des différents points du tracé ainsi que la longueur des conduites à mettre en place.

En effet, le long des conduites, les ventouses, purges et vannes de sectionnement seront installées  selon les nécessités pour assurer un bon fonctionnement du réseau. Le tracé des conduites tiendra compte de l’accessibilité, de la topographie (pour éviter les points hauts et bas), des aspects économiques (pour limiter les longueurs à poser), de l’occupation des sols à traverser et de leur qualité (sol cultivé, boisement, ou zones rocheuses).

Voici les profils en long de notre réseau :

CP

Dans l’étude de notre réseau, les paramètres indispensables au dimensionnement sont les suivants :

• le débit Q [m³/s] : C’est une donnée fournie par les consommations journalières des bénéficiaires.
• la vitesse d’écoulement dans la conduite V [m/s] : elle est choisie de sorte qu’elle soit comprise entre 0,3m/s et 1m/s pour éviter d’une part les dépôts dans la conduite et, d’autre part, les bruits et les cassures des tuyaux.
• le diamètre D de la conduite est calculé à partir des valeurs de Q et V selon la formule de continuité :

Q = S.V               avec  Q : débit en m³/s

                                       S : Section de la conduite en m²

                                    V : vitesse de l’eau en m/s

         Or  S=                 (Formule V.1.)

Il en résulte que : D=        

• les pertes de charges : elles représentent l’énergie perdue suite à la viscosité et au frottement de l’eau dans la conduite. Les pertes de charges sont fonction du débit Q, de la vitesse V, du diamètre D, de la rugosité de la conduite ainsi que des caractéristiques du liquide notamment de la viscosité cinématique ν (ν = 10^-6 m²/s à 25°C)

En effet, on peut distinguer les pertes de charges linéaires et singulières ou locales.

1. Pertes de charges linéaires
2. i) La formule fondamentale est celle de Darcy - Weisbach :

            (Formule V.2.)

, avec  V : vitesse d’écoulement

            j : pertes de charges unitaires

             λ : coefficient de perte de charge

Notons que :

          (Formule V.3.)    , avec  Re : Nombre de Reynolds

                                                                                      ν : Viscosité cinématique

         (Formule V.4.)                    k : Rugosité absolue

                                                            , où k =10^-4 m pour un réseau neuf.

Pour le calcul de λ qui est le coefficient de perte de charge, voici les formules de certains chercheurs :

• Formule de Prandtl Karman :

                      (Formule V.5.)     

• Formule de Blasius :

                            (Formule V.6.)

Ces deux formules sont valables pour les tuyaux lisses

• Formule de NIKURADSE tenant compte des tuyaux rugueux :

                          (Formule V.7.)

-    Formule générale de Colebrook couvrant tous les régimes d’écoulement :

         (Formule V.8.)    

Avec k = coefficient de rugosité en m

         D = diamètre intérieur en m

         Re = Nombre de Reynolds de l’écoulement

1. ii) Autres Formules :

• Formule de PAVLOVSKY :

         J = 0,00105*Q^1,774 *D^-4,77                          (Formule V.9.)

• Formule de Dubin :

          J = L*C*Q²                               (Formule V.10.)                                                                                où C = coefficient

• Formule de HAZEN William :

          J = K*Q^1,852                    (Formule V.11.)                                                                                         où K = résistance hydraulique

          K=                         (Formule V.12.)                                                        C_HW = Coefficient de HAZEN William

• Formule de Flamant :

           J = 0,0014*Q^7/4*D^-19/4            (Formule V.13.)

1. b) Les pertes de charges singulières ou locales

Elles expriment les pertes d’énergie dues aux variations locales de la forme et des dimensions de la conduite. Ces pertes ont eu lieu dans les résistances hydrauliques telles que les vannes, les coudes, les ventouses, les purges, les changements de section et de direction, etc.

                (Formule V.14.)

Avec ξ = coefficient de perte de charge locale caractéristique de chaque résistance hydraulique.

Dans les tableaux suivants, comme les pertes singulières sont faibles comparativement aux pertes de charge linéaires, nous allons calculer uniquement ces dernières. Pour le calcul des pertes de charge linéaires, nous nous servirons de la formule utilisée pour l’établissement de l’abaque de Flamant pour le calcul des petits diamètres.