Débitance de vanne segment appliquée au barrage Vaugris

Contexte

Afin de réguler de façon automatique les aménagements hydroélectriques, les systèmes s’appuient sur des mesures de niveaux en certains points caractéristiques des retenues (points de réglage), ainsi que sur les débits aux ouvrages (barrages et usines). Il est donc nécessaire de disposer de données de débits suffisamment précises pour obtenir une régulation globale efficace de la chaine des aménagements hydroélectriques.

Le barrage ici étudié comprend deux types d’organes de décharge :  des volets, permettant à l’eau de s’écouler par-dessus le barrage, et des vannes de fond, par-dessous. Le rôle fondamental de ces éléments est de permettre la maîtrise des crues en maintenant la cote du barrage sous sa limite de stabilité lors de ces épisodes. Leur principale fonction est donc d’assurer la sécurité de l’ouvrage. Leur dimensionnement intègre des coefficients de sécurité de sorte que le débit lors d’une crue est largement évacué. Cependant, d’autres raisons nécessitent de connaître la débitance de ces organes avec la plus grande justesse :

• La première est la législation qui impose un débit réservé sur les cours d’eau naturel afin de maintenir la faune, la flore et les usages agricoles.
• La deuxième est l’enjeu économique pour l’exploitant car ce qui est déversé par les évacuateurs de crue n’est pas turbiné et représente donc un manque à gagner.

Dans l’optique de la meilleure prédiction possible, les exploitants ont recours à des modèles physiques. Cependant, ces modèles sont construits à des échelles qui ne permettent pas toujours d’appréhender tous les phénomènes.

Objectif

Afin de contourner les limites des modèles physiques, liées à la problématique des similitudes, un modèle numérique du barrage à étudier est réalisé. Ce modèle numérique va permettre de répondre à un double objectif :

• Simuler l’écoulement sur le modèle physique, à l’échelle 1/35, et « caler » le modèle numérique par comparaison aux résultats de mesures expérimentales.
• Réaliser des simulations numériques à l’échelle 1, quantifier les écarts avec le modèle réduit physique et affiner la connaissance des débits réels des ouvrages.

Simulation et résultats

Dans ce cadre, la simulation numérique aide à mieux comprendre ces phénomènes. Une première étape de recalage des résultats et de confrontation aux mesures expérimentales issues des modèles physiques permet de valider le modèle numérique, puis une seconde étape de simulation sur modèle numérique à l’échelle réelle permet de simuler l’ouvrage dans ses conditions d’exploitation et sans introduire de biais de similitude. De manière générale, la modélisation CFD permet le calcul de lois de débitance pour les différents organes de sécurité d’un barrage : vannes segments, volets et clapets, déversoirs à seuil labyrinthe, circulaire ou en touches de piano…

La modélisation de la débitance d’un barrage constitue l’un des principaux secteurs de l’activité d’OptiFluides. La réalisation de ce type de modélisation hybride permet donc de bénéficier à la fois des avantages des modèles physiques (tels que la représentation de l’ensemble des phénomènes 3D en similitude) ainsi que de ceux de la simulation numérique tridimensionnelle (tels que la détermination et la visualisation des champs de vitesses, de pression sur de larges domaines et en tout point de l’espace). L’ensemble des résultats a ainsi permis une meilleure connaissance des phénomènes physiques mis en jeux, des débits, et donc une meilleure régulation et un meilleur pilotage des ouvrages hydroélectriques du Rhône.

Ces résultats ont fait l’objet d’une publication lors d’un colloque du Comité Français des Barrages et des Réservoirs.