Dimensionnement des ouvrages spéciaux d’assainissement


1.Déversoir d’orage :

Définition :

Les déversoirs d’orage sont des ouvrages utilisés sur le réseau d’évacuation des eaux des agglomérations possédant un réseau unitaire. Ils tirent leur nom (déversoir) du nom de la structure de « trop-plein » construite en amont des moulins à eau. Ils permettent de rejeter une partie des effluents dans le milieu naturel ou dans un bassin de rétention, sans passer par la station d’épuration.

L’utilisation des déversoirs remonte aux Romains qui utilisaient déjà de telles structures. Au Moyen Âge, l’utilisation de l’énergie hydraulique nécessitait le contrôle des débits et l’utilisation de seuils similaires à ceux employés aujourd’hui dans les déversoirs d’orage. À la fin du xixe siècle, les premiers déversoirs d’orage virent le jour en même temps que les réseaux d’assainissement des grandes villes. Ils avaient alors pour objet de rejeter dans le milieu naturel les débits que les collecteurs aval ne pouvaient pas absorber de façon à éviter les inondations.

Dans les années 1970, la prise de conscience de la pollution des eaux de ruissellement a donné un nouveau rôle aux déversoirs : celui de transférer vers les stations d’épuration le maximum de pollution et si possible tous les flottants.

Principe :

En cas de fortes pluies, la capacité des stations ne permet pas toujours de traiter l’ensemble des effluents produits. Il est alors nécessaire de dévier ces flux afin d’éviter l’encombrement des conduites et l’inondation des agglomérations.

Un déversoir d’orage va donc dévier une partie des effluents lorsque le débit en amont dépasse une certaine valeur que l’on appelle débit de référence.

Un déversoir d’orage doit assurer quatre fonctions principales :

  • Envoyer les eaux usées de temps sec vers la station d’épuration en limitant les chutes de vitesse d’écoulement afin d’éviter les phénomènes de décantation.
  • Envoyer les eaux usées et celles des petites pluies vers la station d’épuration sans « surverse ».
  • Déverser les débits de pluie supérieurs au débit de référence.
  • Empêcher l’entrée d’eau en provenance du milieu naturel dans le réseau : les déversoirs d’orage étant reliés au milieu naturel, il est possible qu’une rivière en crue viennent s’y engouffrer

Les déversoirs d’orages permettent de diminuer la charge des stations d’épuration, mais de l’autre côté, ils déversent une grande quantité de matières polluantes provenant des eaux usées dans le milieu naturel par temps de pluie.

Le calcul des déversoirs d’orage a trait :

  • A la galerie proprement dite
  • Au seuil de déversement dont la cote conditionne le fonctionnement de l’ouvrage.

La galerie doit être calculée pour pouvoir transiter la totalité des débits amont.

Aucune règle générale ne peut être fournie quant à la fréquence de fonctionnement des déversoirs, celle –ci étant essentiellement fonction des conditions locales.

Calcul d’un déversoir d’orage :

La procédure de dimensionnement des déversoirs d’orage est :

  • Evaluation du débit maximum conservé à l’aval vers la station d’épuration, selon une dilution admissible à la station. Ce débit est de l’ordre de 3 à 6 fois le débit de temps sec.
  • Détermination de la valeur du seuil de fonctionnement ainsi que la valeur de remplissage de la conduite d’amenée, cette dernière valeur déterminant le niveau de trop plein.
  • Pour les débits de l’événement orageux considéré, on calcule ensuite la longueur du déversoir par application des formules du seuil (fonction du type de l’ouvrage).

La formule utilisée pour le calcul est la suivante :

Qd : débit du flot déversé en (m3/s)

μ : coefficient de déversoir

b : longueur de la crête déversante (m)

h : hauteur de charge(m)

g : accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)

On peut déterminer le débit du collecteur principal s’amenant vers la station d’épuration lorsque la dilution 5 (1 partie d’eau usée pour 4 parties d’eau pluviale) est atteinte par rapport au débit de temps sec.

En connaissant le

  • Diamètre du collecteur principal avant le déversoir d’orage :
  • Pente
  • Débit par temps de pluie
  • Débit par temps sec

On demande de (après avoir déjà calculer la hauteur partielle par temps de pluie Hp et la hauteur partielle lorsque le débit = Coefficient d’interception*débit par temps sec Hc) :

  • Calculer la longueur du déversoir
  • Calculer le diamètre du tuyau d’étranglement (eau usée) après le déversoir sur une longueur de 40m.

On utilise l’équation de Manning Strickler:

Calcul de la longueur du seuil du déversoir par la formule suivante :

2.Bassin de dessablement :

Définition :

Les bassins de dessablement sont des ouvrages qui permettent d’éliminer les matières facilement décantables qui sont véhiculées par les eaux usées et pluviales (le plus souvent du sable).

Il pourra néanmoins être nécessaire de les placer sur le réseau d’assainissement pour la protection des ouvrages contre :

  • Le frottement au niveau des collecteurs et pompes.
  • Les pertes en volume utilisables dues aux dépôts qui se forment rapidement.

Principe :

Une particule discrète de volume et densité constants en chute libre dans le vide tombe avec une accélération g = 9,81 m/s2. Quand cette chute a lieu au sein d’un fluide, il faut tenir compte de la poussée d’Archimède et d’une force de résistance au mouvement de la particule appelée force de traînée qui dépend essentiellement de la viscosité du fluide et de la vitesse de la particule. Lorsqu’une particule chute dans l’eau, sa vitesse augmente jusqu’à ce que les forces d’accélération (poids) équilibrent les forces de frottement. Cette situation correspond au point d’équilibre

Où :

– Vp : volume de la particule

– ρp : masse volumique de la particule

– ρL: masse volumique du liquide

– A : aire de la section de la particule (surface de sa projection sur un plan orthogonal à l’écoulement)

– Ct : coefficient de traînée

– vp : vitesse de chute de la particule

– g : accélération de la pesanteur.

D’où

Pour calculer vp il faut connaître Vp, A et Ct donc la géométrie exacte de la particule et le coefficient de traînée Ct. On prend le cas d’une particule sphérique de diamètre d

vp augmente de tant plus que d augmente : la particule chute alors plus rapidement.

Le coefficient Ct est une fonction du nombre du Reynolds (Re) et de la forme de la particule.

Avec :

Calcul de la vitesse de chute d’une particule de diamètre connu

Il semble impossible de faire le calcul de vp alors qu’il faut connaître cette valeur pour calculer Re et de là faire le choix de l’équation appropriée. Par manipulation algébrique, on arrive à définir le critère suivant :

3. Bassin d’orage :

Définition :

Les bassins d’orage sont utilisés dans le cas où on cherche à réduire les dimensions des collecteurs projetés à l’aval en étalant les débits de pointe sur un temps imposé par les conditions d’écoulement à l’aval.

On peut utiliser les dépressions naturelles comme des bassins de rétention, si on les relit au réseau d’assainissement pour l’évacuation des débits de ruissellement stockés pendant un certain temps dans la dépression.

Ces bassins sont constitués par un corps de bassin et un ouvrage aval constitué par un seuil d’évacuation qui peut être un déversoir ou un orifice

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Avantages :

  • Bonne intégration paysagère possible.
  • Réduction des débits de pointe à l’exutoire.
  • Dépollution efficace des eaux pluviales par décantation des particules.

Inconvénients :

  • Les bassins de rétention peuvent avoir une importante emprise foncière.
  • La fréquence d’entretien va varier selon le type de bassin, selon sa capacité et la qualité des eaux pluviales retenues.
  • Dépôts de boues de décantation qu’il faut évacuer lorsque leur quantité induit une modification du volume utile de rétention. Cependant, la formation de ce dépôt prend beaucoup de temps car les volumes générés sont très faibles.
  • Dépôts de flottants. Dépend de la nature des eaux retenues dans le bassin et de la présence ou non d’un système de « dégrillage » en amont

Conception :

Collecte des eaux et alimentation :

La collecte des eaux pluviales en amont et l’alimentation du bassin sont réalisées par :

  • Des canalisations,
  • Un système de « dégrillage », de pièges à flottants,
  • Une protection évitant toute intrusion dans les canalisations (type tête d’aqueduc de sécurité),
  • Des bouches d’injection,
  • Un aménagement, un accompagnement des eaux afin d’éviter toute érosion prématurée (pour une alimentation par déversement, aménagement jusqu’au fil d’eau du bassin).

Structure du bassin :

  • Mise en place d’un géotextile et/ou une géomembrane en fonction de la destination du bassin et du type d’eau retenue (possibilité de contamination, zone à « risques »),
  • Pente des talus le plus faible possible (facilite l’entretien),
  • Pour des pentes de talus importantes, privilégier le profil emboîté (marches d’escalier),
  • Stabilisation des talus par végétalisation ou autre méthode (géogrilles, dispositifs antibatillage, enrochements, tunage, rondins, …),
  • Rampe d’accès jusqu’en fond de bassin pour assurer un entretien mécanique (passage suffisant et étudié en fonction du bassin et du type d’engin assurant l’entretien),
  • Systèmes de mise à l’air et clapet de décharge.

Evacuation et « ré-essuyage » des eaux :

L’évacuation de la totalité des eaux collectées est assurée par la mise en œuvre de :

  • Système de drainage des eaux stockées au point bas (« ré-essuyage ») par noue, caniveau, cunette ou drain d’évacuation pour assurer l’absence d’eau stagnante après vidange,
  • Faible pente en fond de bassin afin de rassembler les eaux vers le système de drainage

Exutoire :

L’exutoire est composé :

  • D’une protection évitant toute intrusion dans les canalisations (type tête d’aqueduc de Sécurité),
  • D’un organe ou orifice de régulation,
  • D’une surverse de sécurité.

Calcul du volume d’un bassin de rétention :

L’instruction technique Française CG 1333 cite une méthode dite “ des Volumes ” pour calculer le volume utile d’un bassin de rétention.

L’application de cette méthode revient à calculer un volume V en fonction du temps t, le volume sera maximum quand

La formule de base pour calculer la capacité d’un bassin de rétention s’écrit :

Dans laquelle :

V : est le volume de retenue en m3

h : est la hauteur d’eau tombant pendant un temps t, elle est donnée par la formule :

Où a et b sont les paramètres de la formule de Montana i = a.t-b

a : est à multiplier par 10-3 pour obtenir h en m;

S : surface en m²

C : Coefficient d’apport : Fraction du volume d’eau précipitée qui arrive au bassin de rétention

Q : est le débit admissible à l’aval (débit de fuite) en m3/mn

t : est le temps en mn.

Les formules d’application sont :

La détermination de C est délicate, on pourra adopter en première approximation les valeurs ci-après pour des pourcentages de boisement variant de 0 à 100% :

    • Sol imperméable (argileux) – 0,60 à 0,15
    • Sol plutôt imperméable – 0,40 à 0,10
    • Sol plutôt perméable – 0,20 à 0,05
    • Sol perméable (sableux) – 0,10 à 0,05

Le débit de sortie du bassin de rétention s’écrit :

Qs : débit sortant du bassin de rétention (m3/s)

h : hauteur de l’eau dans le bassin de rétention (m)

g : accélération de la pesanteur, g = 9,81 m/s²

m : constante caractéristique de l’orifice, m = 0,7

Ω : section de l’orifice (m²)

4. Tranchée drainante :

Définition :

Une tranchée est un ouvrage superficiel, utilisé pour l’assainissement pluvial des voiries et de toitures.

Elles sont remplies de matériaux poreux (massifs de graviers ou de galets, structure réservoir, …) et revêtues de dalles de béton ou de pelouse. Elles sont le plus souvent équipées d’un système de drainage.

On note qu’il existe deux principaux types de fonctionnement :

• les tranchées drainantes : système de rétention des eaux. L’eau est évacuée grâce à un drain, selon un débit régulé vers l’exutoire (le réseau d’assainissement pluvial traditionnel, le milieu hydraulique superficiel, un système d’infiltration).

• les tranchées infiltrantes : système d’infiltration, couplé au système de rétention. L’évacuation des eaux pluviales se fait par infiltration directe dans le sol mais on peut également la coupler avec un écoulement régulé. Ceci permettra la vidange complète de l’ouvrage.

Avantages :

Les avantages cités dans ce paragraphe sont communs aux deux types de tranchées.

  • Réduction des débits de pointe et des volumes s’écoulant vers les exutoires.
  • Réalimentation des nappes phréatiques (si infiltration).
  • Dépollution efficace des eaux pluviales par « filtration » par interception au travers de la structure (roulé, concassé, …) surtout dans le cas d’une tranchée infiltrante. Technique peu coûteuse.
  • Mise en œuvre facile et maîtrisée.
  • Bonne intégration paysagère et dans le tissu urbain.
  • Faible emprise foncière.
  • Les tranchées sont bien adaptées aux terrains plats dont l’assainissement pluvial est difficile à mettre en place.
  • Les tranchées peuvent être couplées avec d’autres techniques alternatives (elles servent ainsi de système drainant en fond de bassin par exemple).

Inconvénients :

Hormis pour le risque de pollution, les inconvénients cités dans ce paragraphe sont communs aux deux types de tranchées.

  • Risques de nuisances olfactives (stagnation d’eau, putréfaction de végétaux, …) par défaut de réalisation ou manque d’entretien.
  • Risque de colmatage possible, surtout pour les tranchées le long des voies circulées et arborées.
  • Dépôts de flottants. Dépend de la nature des eaux retenues dans la tranchée et de la présence ou non d’un système de « dégrillage » en amont.
  • Nécessité d’un entretien régulier spécifique (nettoyage de la structure réservoir, du drain, des bouches d’injection et des avaloirs…).
  • Difficilement applicable pour des terrains naturels à forte pente.
  • Technique tributaire de l’encombrement du sous-sol.
  • Pour les tranchées infiltrantes risque de pollution de la nappe

Conditions et domaine d’utilisation :

L’alimentation en eau durant l’épisode pluvieux peut se faire :

  • Par ruissellement direct, en général en fond de petite noue ;
  • Par déversement du réseau pluvial dans un drain au sein de la tranchée.

Les aménagements réalisés sur les tranchées sont divers et variés. Ils peuvent être sous la forme d’espaces verts, de chemins piétonniers, comme des promenades ou des trottoirs ou bien en voies d’accès pour les véhicules comme des parkings.

Pour mettre en œuvre une solution technique d’infiltration (tranchée infiltrante), il faut s’assurer de la présence d’horizon géologique favorable à l’infiltration, dans les couches superficielles (1m à 1.5m). Ceci grâce aux résultats d’une étude hydrogéologique.

On vérifie grâce aux résultats de l’étude :

  • Que la perméabilité du sol permette l’infiltration des eaux collectées dans un laps de temps « respectable » (durée d’infiltration après orage < 6h) ;
  • Que la nature des couches géologiques du sol permette l’infiltration des eaux de pluie et de ruissellement générées par deux épisodes pluvieux décennaux se succédant en l’espace de 24h ;
  • Que la nature des couches géologiques du sol et l’environnement immédiat (habitation, sous-sol, terrains pentus, …) soit compatible avec l’infiltration (effondrements, glissements de terrain, création de « nappe » perchée provoquant l’inondation des sous-sols, …).

Conception :

Collecte des eaux :

La collecte des eaux pluviales en amont et l’alimentation de la tranchée sont réalisées par :

  • Des bouches à grille ou avaloirs,
  • Des bouches d’injection,
  • Des dalles,
  • Des canalisations,
  • Des caniveaux,
  • Des systèmes de « dégrillage », de pièges à flottants, de pièges à particules fines,
  • Un regard de répartition, un regard visitable ou permettant l’entretien (tringlage, curage, …).

Revêtement de surface :

Il peut être constitué de :

  • Couche de surface étanche (dalles, …), tout revêtement poreux tel que le béton poreux est prohibé,
  • Galets,
  • Gazon,
  • Couche de sable sous le premier revêtement (assure une filtration des eaux collectées).

Intérieur de la tranchée :

La tranchée est composée par :

  • Du roulé, concassé et galets de porosité supérieure à 30%, matériaux alvéolaires ou structures préfabriquées de porosité élevée
  • Un drain P.V.C. CR8, diamètre drain tranchée en domaine public D=300mm
  • Diamètre drain tranchée privative individuelle D=200mm
  • Des cloisons éventuelles si la pente du terrain est trop importante.
  • Le positionnement du drain dans la tranchée est fonction de son action :
  • Rétention : le drain est placé en fond de tranchée, elle est remplie par mise en charge.
  • Infiltration : le drain est placé en haut de tranchée, l’eau ruisselle avant infiltration dans le sol.

Calcul d’une tranchée drainante :

Le calcul du dimensionnement est itératif car il convient d’attribuer une première fois une profondeur, une longueur et une largeur à la tranchée pour estimer S et le débit de fuite Qf. On vérifie alors si le volume de stockage nécessaire Vn est plus petit ou égal au volume disponible Vd dans la tranchée (ou avec les ouvrages associés). Si l’inégalité Vn ≤ Vd n’est pas satisfaite on augmente la taille de la tranchée (ou des ouvrages associés) ou on place des cloisons jusqu’à ce qu’elle soit obtenue.

Le volume disponible Vd est égale au volume géométrique multiplié par la porosité du matériau.