Hydrologie et hydraulique urbaine en réseau d

HydrologieethydrauliqueUrbaineenréseaud’assainissement‐J.VAZQUEZ Page1

2013

José VAZQUEZ

ENGEES/IMFS

Hydrologie et hydraulique urbaine en réseau d’assainissement

Formation d’ingénieur


Cet ouvrage est une compilation de différents documents dont les plus représentatifs sont :

GUIDE DE L'ASTEE/SHF, Guide technique pour la conception et le dimensionnement des réseaux et ouvrages d'assainissement, Commission Assainissement, Groupe de travail révision Instruction technique 77/284, à paraître.

T. BAUER, Pratique de l'assainissement urbain, polycopié de cours, Version 2007.

CERTU, "LA VILLE ET SON ASSAINISSEMENT, Principes Méthodes et Outils pour une meilleure intégration dans le cycle de l’eau", 2003, Ed. CERTU.

L'Encyclopédie des Techniques de l'Ingénieur :

J. VAZQUEZ, C. JOANNIS, M. ZUG, (2009) W6902 Modélisation et métrologie des déversoirs d'orage. Publication dans « L’encyclopédie des Techniques de l’Ingénieur » (ETI Sciences et Techniques). 2009, vol. W3, W6902.

C. JOANNIS, J. VAZQUEZ, M. ZUG, (2009) W6901 Fonctions et typologie des déversoirs d'orage. Publication dans « L’encyclopédie des Techniques de l’Ingénieur » (ETI Sciences et Techniques). 2009, vol. W3, W6901.

P. BLAZY, E.A. JDID, J.L. BERSILLON, Décantation : Aspects théoriques, Publication dans « L’encyclopédie des Techniques de l’Ingénieur ». J 3 450.

J. VAZQUEZ, M. ZUG, L. PHAN, C. ZOBRIST, (2006) Guide technique sur le fonctionnement hydraulique des déversoirs d’orage, Guide FNDAE (184p.+ 94p. annexes), http://www-engees.u-strasbg.fr/site/fileadmin/user_upload/pdf/shu/Guide_technique.pdf.

A.G. SADOWSKI, Synthèse sur l’hydrogène sulfuré et son traitement, Cours ENGEES, 2006.

HAGER W. H., Wastewater hydraulics theory and practice, Springer, ed. 1999.

B. CHOCAT, J.P. BARDIN, Développement d'outils d'aide à la conception des systèmes d'assainissement pluviaux, Rapport ANVAR 2004, BQT.


SOMMAIRE

1 PRINCIPES GENERAUX D’UN PROJET D’ASSAINISSEMENT ...................................................................... 5

1.1 LES NIVEAUX DE SERVICE ET PERIODES DE RETOUR ................................................................................................. 5 1.2 DUREE D’UTILISATION DES OUVRAGES ................................................................................................................ 7

2 CONCEPTION DES RESEAUX D’ASSAINISSEMENT ................................................................................... 8

2.1 A L’AMONT DES BRANCHEMENTS ...................................................................................................................... 8 2.1.1 Broyeurs d'évier ............................................................................................................................... 8 2.1.2 Boîtes à graisses, déshuileurs .......................................................................................................... 8 2.1.3 Protection contre les refoulements ................................................................................................. 8

2.2 LES BRANCHEMENTS ...................................................................................................................................... 9 2.2.1 Raccordement de la canalisation de branchement ....................................................................... 10

2.3 LES BOUCHES D'EGOUTS ................................................................................................................................ 20 2.4 DISPOSITIFS D’ENGOUFFREMENT (AVALOIRS) ..................................................................................................... 22 2.5 ACCES AUX CANALISATIONS : LES REGARDS ET BOITES .......................................................................................... 24

2.5.1 Types d’ouvrages et conditions d’accès aux canalisations ............................................................ 24 2.5.2 Fonctions des ouvrages ................................................................................................................. 26 2.5.3 Constitution des ouvrages d’accès ................................................................................................ 26 2.5.4 Implantation des ouvrages d’accès ............................................................................................... 28 2.5.5 Accès aux collecteurs visitables ..................................................................................................... 28

2.6 LES COLLECTEURS ........................................................................................................................................ 30 2.7 LES DEVERSOIRS ........................................................................................................................................... 34

2.7.1 Définitions et objectifs ................................................................................................................... 34 2.7.2 Configurations et typologies ......................................................................................................... 38 2.7.3 Conclusion ..................................................................................................................................... 49

2.8 LES OUVRAGES DE STOCKAGES ........................................................................................................................ 50 2.8.1 Cas des bassins de retenue d'eau pluviale : protection contre l'inondation .................................. 50 2.8.2 Cas des bassins de dépollution : protection du milieu naturel ...................................................... 50 2.8.3 Fonctionnement mixte .................................................................................................................. 51 2.8.4 Combinaisons entre déversoirs d'orage et ouvrage de stockage .................................................. 52 2.8.5 Les dispositifs de curage ................................................................................................................ 54

2.9 LES STATIONS DE POMPAGES .......................................................................................................................... 57 2.9.1 Définition des besoins .................................................................................................................... 57 2.9.2 Conception ..................................................................................................................................... 59 2.9.3 Prise en compte des phénomènes en régime transitoire (les coups de bélier) .............................. 70

2.10 LIMITEUR, REGULATEUR DE DEBIT ............................................................................................................... 73 2.10.1 Objectifs .................................................................................................................................... 73 2.10.2 conception ................................................................................................................................ 73 2.10.3 Principe des dispositifs couramment utilisés ............................................................................ 74

2.11 RESERVOIRS DE CHASSE ............................................................................................................................ 81 2.12 REGARDS DE CHUTE ................................................................................................................................. 83 2.13 LES DECANTEURS ..................................................................................................................................... 83 2.14 LES TECHNIQUES ALTERNATIVES .................................................................................................................. 85

2.14.1 Toiture réservoir ....................................................................................................................... 86 2.14.2 bassins de rétention .................................................................................................................. 87 2.14.3 Chaussée réservoir .................................................................................................................... 87 2.14.4 Puits d'infiltration ..................................................................................................................... 88 2.14.5 Tranchée drainante .................................................................................................................. 88 2.14.6 Noues ........................................................................................................................................ 89


3 DIMENSIONNEMENT DES RESEAUX ..................................................................................................... 90

3.1 CALCUL DES DEBITS ...................................................................................................................................... 90 3.1.1 Les débits de temps sec ................................................................................................................. 90 3.1.2 Les débits de temps de pluie .......................................................................................................... 98

3.2 LES COLLECTEURS ....................................................................................................................................... 118 3.2.1 Dimensionnement des canalisations à pleine section ................................................................. 119 3.2.2 Evaluation de la hauteur normale ............................................................................................... 123 3.2.3 Prise en compte de l’air piégé dans les réseaux enterrés : modèle de Lautrich .......................... 129 3.2.4 prise en compte des conditions d’écoulement ............................................................................ 131 3.2.5 Les écoulements aérés ................................................................................................................. 134 3.2.6 L’autocurage ............................................................................................................................... 137 3.2.7 Proposition d’une Méthode de dimensionnement globale ......................................................... 145 3.2.8 Annexes ....................................................................................................................................... 147

3.3 LES DEVERSOIRS D'ORAGES .......................................................................................................................... 153 3.3.1 Conception – dimensionnement .................................................................................................. 155 3.3.2 Dimensionnement des déversoirs ................................................................................................ 157 3.3.3 Formule d’orifices ........................................................................................................................ 157 3.3.4 Formules de leaping weir ............................................................................................................ 159 3.3.5 Formules de déversoir à crête ..................................................................................................... 162

3.4 LES OUVRAGES DE STOCKAGE : LES BASSINS ..................................................................................................... 170 3.4.1 Méthode des pluies ..................................................................................................................... 170 3.4.2 Méthode des volumes ................................................................................................................. 172 3.4.3 Méthode de la pluie critique ........................................................................................................ 175 3.4.4 méthode IT 77 ............................................................................................................................. 177 3.4.5 méthode Agence de l’Eau Rhin‐Meuse ........................................................................................ 179 3.4.6 Dispositions constructives ........................................................................................................... 185

3.5 LES STATIONS DE POMPAGES ........................................................................................................................ 186 3.5.1 Volume utile de la bâche de reprise ............................................................................................ 186 3.5.2 Prévision qualitative de la production H2S .................................................................................. 187

3.6 LES DECANTEURS ....................................................................................................................................... 188 3.6.1 Dimensionnement ....................................................................................................................... 188 3.6.2 Vitesse de chute des particules en suspension ............................................................................ 188

4 LA MODELISATION ............................................................................................................................ 190

4.1 MODELISATION : CONCEPTS, APPROCHES, ET ETAPES ........................................................................................ 190 4.1.1 Les modèles ................................................................................................................................. 190 4.1.2 Les différents types de modèles .................................................................................................. 190 4.1.3 Les problèmes à résoudre ............................................................................................................ 191 4.1.4 Etapes méthodologiques ............................................................................................................. 192

4.2 PRISE EN COMPTE DES DONNEES ................................................................................................................... 194 4.2.1 Origine et types de données du site ............................................................................................ 195 4.2.2 Les données « mesurées » événementielles ................................................................................ 196

4.3 LES PRINCIPAUX PHENOMENES ..................................................................................................................... 203 4.3.1 La modélisation hydrologique ..................................................................................................... 205 4.3.2 La modélisation hydraulique ....................................................................................................... 208

4.4 SCHEMATISATION, CALAGE, VALIDATION ET EXPLOITATION ................................................................................. 213 4.4.1 Schématisation préalable ............................................................................................................ 213 4.4.2 Critères de comparaison .............................................................................................................. 214 4.4.3 Le calage ...................................................................................................................................... 216 4.4.4 La validation ................................................................................................................................ 221

5 SOMMAIRE DETAILLE ........................................................................................................................ 222


1 PRINCIPES GENERAUX D’UN PROJET D’ASSAINISSEMENT

1.1 LES NIVEAUX DE SERVICE ET PERIODES DE RETOUR

(Guide ASTEE)

Depuis la décentralisation de 1982, le choix d’un niveau de protection relève de la responsabilité des collectivités, donc des maires ou présidents d'EPCI (Etablissement Public de Coopération Intercommunale). Il s’agit pour les élus de trouver un optimum technico-politico-financier qui concilie un coût des ouvrages supportable et un niveau de protection techniquement et politiquement suffisant.

L’habitude a été prise dans le passé, et notamment par les services de l’Administration, de dimensionner les ouvrages pluviaux pour une période de retour de 10 ans, même si l’instruction technique de 1977 suggérait de se limiter à 2 ou 5 ans pour les zones amont et d’aller jusqu’à 20 ou 50 ans pour les quartiers aval très urbanisés et sans relief.

La norme européenne NF EN 752 propose de dimensionner les ouvrages pour limiter les fréquences d’inondation de la manière suivante :

Zones rurales : 1 tous les 10 ans Zones résidentielles : 1 tous les 20 ans Centres villes, Zones industrielles ou commerciales : 1 tous les 30 ans Passages souterrains routiers ou ferrés : 1 tous les 50 ans

Elles sont données à titre indicatif pour orienter les maîtres d'ouvrages les plus démunis.

Cependant, le maître d’ouvrage, éventuellement à la demande du service instructeur, a toute latitude pour édicter ses propres règles, adaptées au contexte, aux enjeux et aux moyens de la collectivité. L'approche actuellement préconisée pour la conception et la gestion des systèmes d'assainissement, repose notamment sur les principes suivants :

envisager le fonctionnement des ouvrages pour tous les types d'évènements pluvieux : faibles, moyens, forts, très forts.

utiliser les techniques d’évacuation, mais également de rétention, ralentissement et infiltration (dites « alternatives ») de façon à disposer d'un système modulaire présentant plusieurs modes de fonctionnement adaptés à ces différents évènements,

aménager l’espace urbain pour supporter à moindre mal les défaillances des ouvrages.

C’est une démarche beaucoup plus élaborée que la simple prise en compte de la période de retour de débordement d’un tuyau, mais qui permet de définir des stratégies de gestion du système pour différentes situations météorologiques. Pour faciliter cette approche il est proposé de s’appuyer sur une notion de niveaux de service, qui correspondent à des états différents de fonctionnement du système :


Niveau 0 : Temps sec : pas de rejet vers le milieu naturel.

Niveau 1 : Capacité maximale des ouvrages avant rejet sans traitement au milieu naturel. En réseau unitaire et pseudo séparatif, il n’y a pas de déversement non traité. L’objectif est la protection du milieu naturel. Ce niveau correspond à des pluies faibles sans impact sur le milieu récepteur. (Période de retour de 15 jours à 1 an au maximum)

Niveau 2 : Capacité maximale des ouvrages sans mise en charge et remplissage total des ouvrages de stockage. Il correspond à des pluies moyennes qui définissent généralement le dimensionnement des ouvrages. Le réseau fonctionne à pleine capacité avec déversements au milieu naturel acceptés. (Période de retour jusqu’à 2 ans)

Niveau 3 : Capacité en charge des tuyaux jusqu’au débordement en surface, utilisation des déversoirs de sécurité des ouvrages de stockage. Il correspond aux pluies fortes avec les premiers débordements. Priorité est donnée à la lutte contre les inondations avec acceptation d’impacts significatifs sur le milieu récepteur. (Période de retour jusqu’à 20 ans)

Niveau 4 : Capacité des ouvrages et des voiries jusqu’à l’atteinte d’écoulements dangereux en surface (plus de 50 cm d’eau = voitures soulevées et piétons en stress). Il correspond aux pluies très fortes pour lesquelles la priorité est donnée à la sécurité publique. (Période de retour de 50 à 100 ans).

La définition des seuils séparant ces niveaux, que l’on a exprimés en période de retour de défaillance des ouvrages (au-delà des capacités maximales), relève d’une décision politique, puisqu’elle engage à la fois le financement nécessaire, le niveau accepté de détérioration de la qualité écologique du milieu récepteur, mais aussi le niveau de risques et de dégradation des conditions de vie en ville.


1.2 DUREE D’UTILISATION DES OUVRAGES

(Guide ASTEE)

La conception et le dimensionnement d’un projet s’appuient sur une période donnée. Cette période d’utilisation du projet intègre les données existantes lors de la conception et leur évolution prévisible à moyen terme (par exemple 10 à 15 ans pour l'évolution de l'urbanisation).

Un système d'assainissement représentera toujours, quelles que soient les solutions adoptées, un investissement très lourd pour la collectivité, qu'il conviendra de rentabiliser au maximum ; on peut évoquer plusieurs échelles de temps à son sujet :

La période d'amortissement financier, correspondant à la durée de remboursement des emprunts contractés au moment de l'investissement (soit une durée de 20 à 30 ans, voire plus, selon les conditions du marché),

La période d'amortissement comptable, correspondant à la durée qui sépare deux remplacements d'un ouvrage ou d'un composant ; pendant cette durée, il convient donc de « provisionner » des ressources en vue du renouvellement de cet ouvrage ou de ce composant ; cette période est fonction de la nature des investissements, et les nouvelles dispositions préconisent de distinguer les différents composants du système d'assainissement.

A titre indicatif, les durées d'amortissement prévues par l'instruction comptable M49 ou préconisées dans certaines applications sont les suivantes :

o Réseau enterré : 60 ans o Cuvelages station d'épuration, déversoirs, bâtiments : 60 ans o Branchements et regards : 50 ans o Autre génie civil, postes de relèvement : 40 ans o Voirie, clôture : 30 ans o Electromécanique : 5 ans

La durée réelle d'utilisation, appelée parfois durée fonctionnelle du système, qui

sera aussi longue que possible, tant que ses capacités (de transit, de stockage ou de traitement) ne seront pas dépassées et qu'il sera conforme à la règlementation en vigueur.

La durée réelle d'utilisation du système peut largement dépasser les durées d'amortissements comptable et financier et atteindre, voire dépasser le siècle. Il convient d'ailleurs de souligner que les dernières réformes de l'instruction comptable envisagent de faire correspondre durée d'amortissement et durée réelle d'utilisation.

Pour permettre cela, la conception, la réalisation (choix des matériaux et mise en œuvre) comme la gestion doivent être conduits avec un niveau élevé de qualité.


2 CONCEPTION DES RESEAUX D’ASSAINISSEMENT

2.1 A L’AMONT DES BRANCHEMENTS

(Guide ASTEE)

Il s’agit d’équipements destinés à protéger le système d’assainissement de l'introduction de substances ou de matières indésirables, tant dans les parties constitutives des réseaux que dans les branchements qui y aboutissent. Certains équipements sont destinés à protéger les installations amont d’un dysfonctionnement du réseau.

L’installation de ces équipements est régie par les prescriptions du règlement du service de l’assainissement de l’autorité organisatrice.

Ces équipements sont rappelés dans ce document qui n’aborde pas leur dimensionnement.

2.1.1 BROYEURS D'EVIER

Il convient de proscrire, sauf justifications spéciales, la mise en service de broyeurs d'éviers qui, outre la surcharge qu'ils apportent aux stations d'épuration, aggravent les risques de dépôts dans les égouts.

2.1.2 BOITES A GRAISSES, DESHUILEURS

La mise en service de boites à graisses et de bacs déshuileurs s'impose pour les branchements d'immeubles où sont exercées certaines activités (restaurants, industries alimentaires, garages, ateliers de mécanique, etc..).

Ces appareils n'assureront toutefois un service satisfaisant que dans la mesure où ils seront bien conçus et correctement exploités. Compte tenu de l'importance que présente leur bon fonctionnement pour l'exploitation des réseaux et des stations d'épuration, la collectivité devra porter une attention toute particulière à leur établissement et à leur contrôle.

Notons toutefois que les bacs déshuileurs ne peuvent assurer une sécurité totale en ce qui concerne les risques de pénétration des hydrocarbures et autres matières inflammables dans les réseaux.

2.1.3 PROTECTION CONTRE LES REFOULEMENTS

Le règlement sanitaire départemental type prescrit dans son article 44 les dispositions à prendre pour éviter le reflux des eaux des réseaux d’assainissement lors de leur exceptionnelle mise en charge dans les parties des immeubles situées en dessous du niveau de la voie publique :

Etanchéité des canalisations, joints et regards en domaine privé avec résistance à une pression correspondant à une élévation des eaux jusqu’au niveau de la chaussée ;

Mise en place de clapets anti-retour entre les parties inférieures de l’immeuble et la voie publique ;

Déconnection totale avec évacuation des effluents par station de pompage.


2.2 LES BRANCHEMENTS

(Guide ASTEE)

Le branchement particulier sous domaine public permet l’acheminement des eaux usées domestiques, des eaux pluviales ou des eaux industrielles provenant d’une source privée vers un collecteur public.

Les branchements doivent assurer les meilleures conditions d'hygiène pour l'habitation tout en sauvegardant le bon fonctionnement du réseau de collecte en respectant les règles du règlement sanitaire départemental et du règlement du service de l’assainissement de la collectivité.

C’est le service de l’assainissement qui fixe :

- le nombre de branchements à installer par immeuble à raccorder, - le tracé, le diamètre, la pente de la canalisation ainsi que l’emplacement de la

boîte de branchement ou d’autres dispositifs notamment de pré-traitement des rejets.

Lorsque le réseau est unitaire, les eaux usées et eaux pluviales peuvent être déversées dans l’égout public par un seul branchement. La partie privée du branchement des nouvelles constructions doit être établie en fonction des options de la collectivité, généralement en système séparatif.

Un branchement en domaine public comporte obligatoirement trois parties distinctes :

- le dispositif de raccordement sur le collecteur principal (ou un regard) qui doit être pourvu d’au moins un joint souple et étanche.

- la canalisation de branchement qui doit être rectiligne (sauf impossibilité). - la boîte de branchement qui se situe à l’alignement, de préférence, en

domaine public et sur laquelle la canalisation de branchement se raccorde à l’aide d’un joint souple et étanche. Cette boîte de branchement sépare la partie publique de la partie privée du branchement.

Figure 1 : Constitution d’un branchement en domaine public


On distingue deux types de raccordement des canalisations de branchement sur la canalisation principale :

- les raccordements qui n’affaiblissent pas la résistance mécanique du collecteur ;

- les raccordements qui affaiblissent la résistance mécanique du collecteur et qui ne doivent donc être utilisés que si les premiers ne peuvent être mis en œuvre.

Tous les branchements et parties de branchements devront être rigoureusement étanches de façon à éviter toute intrusion d'eau de nappe dans l'égout et inversement toute infiltration d'eaux usées dans le terrain.

2.2.1 RACCORDEMENT DE LA CANALISATION DE BRANCHEMENT

Géométrie des raccordements sur un collecteur non visitable

Dans un collecteur de diamètre ≤ à 1000 ou un regard, le raccordement s’effectue avec un angle ≤ à 67°30 (en « Y ») orienté dans le sens de l’écoulement. L’angle de raccordement peut être de 90° quand le diamètre de la canalisation principale est au moins supérieur à deux fois le diamètre de la canalisation de branchement. Cet angle de raccordement permet d’éviter des dysfonctionnements hydrauliques au droit du raccordement.

Figure 2 : Angles de raccordement avec le collecteur

L’axe de raccordement du branchement est orienté vers le centre du collecteur pour permettre, notamment, le traitement du raccordement en cas de réhabilitation.

Le raccordement se fait de préférence sur la moitié supérieure du tuyau, entre 45° et le plan médian de la canalisation principale afin de faciliter le compactage de la zone d’enrobage.

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