T e c h n i c a l N e w sVALUE-ADDED ENGINEERING

SÉCURITÉ DES CONDUITES FORCEESPENSTOCK SAFETY

ETANCHEMENT DE RETENUERESERVOIR WATERTIGHTNESS

Implantée à 1’600 m d'altitude, sur les contreforts du Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion-France), la retenue des Herbes Blanches constitue un réversoir d’eau de 500’000 m3 permettant de satisfaire les besoins en eau potable et agricole des habitants de la plaine des Cafres, à 6 km au Nord-Est de la Ville du Tampon. Cette retenue se remplit lors des périodes de pluies importantes, par la ravine du petit bras dePontho. Un défaut du système d’étanchéité initialement prévu pour cette retenue a conduit à une expertise et une redéfinition des principes d’étanchement.

Le vieillissement des aménage-ments de chute et les accidents récents survenus sur certaines conduites en Suisse ont amenéSTUCKY à créer une équipe d’ingénieurs spécialisés et pluridis-ciplinaires pour traiter la question de la sécurité de tels ouvrages. Le domaine d’expertise couvre à la fois les calculs hydrauliques, les techniques de chaudronnerie lourde, les problèmes d’interaction sol-structure et les aspects métallur-giques (notamment les soudures). Le volet de la sécurité des ouvrages vis-à-vis du débordement et des surpressions est abordé ici à travers deux projets récents.

1er semestre1st semester

Barrage de Salanfe (Suisse)Salanfe dam (Switzerland)

Considering the ageing of head schemes and the last penstock accidents that recently occurred in Switzerland, STUCKY has created a specialized and multidisciplinary engineers team to deal with the matter of safety in such schemes. The expertise covers at the same time hydraulic calculations, pressure vessels techniques, the problems of soil-structure interaction and weld behaviour. In this paper, the works safety in relation with overflow and overpressures is explained through two recent projects.

Located at an altitude of 1’600 m, on the foothills of the Fournaise Peak (Reunion Island-France), the Herbes Blanches reservoir contains 500’000 m3 of water. It is fit to drink and used for agricultural supply by the inhabitants living in the Cafres plain (6 km North-East of Tampon town. This reservoir fills up when large rain periods occur through gullying from the Pontho small branch. Due to a defect of the watertightness device, which was initially foreseen for this reservoir, an expertise was carried out and watertightness principles were redefined.

2003

Retenue des “Herbes Blanches” Ile de La Réunion-France“ Herbes Blanches ” Reservoir, Reunion Island - France

La centrale hydroélectrique de Veytaux (Suisse) assure le pompage-turbinage des eaux entre les lacs de l’Hongrin et du Léman avec une chute de 878 m. Une vérification des installations a permis de mettre en évidence l’existence de fissures au niveau du coude, au bas du puits blindé avant l’arrivée dans la centrale. Le coude a été remplacé en 2001. En parallèle, une étude hydraulique poussée a été entreprise afin de lever les doutes sur les risques mécaniques encourus par les installations en cas de manœuvres de fonctionnement courantes et d’urgence. Une modélisation hydraulique et numérique à partir du progiciel Flowmaster® a été effectuée permettant

- de garantir la sécurité de l’ouvrage

- de fixer précisément les conditions du fonctionnement de l’installation en terme de niveau d’eau, sans débordement dans la cheminée d’équilibre, et de pressions maximales pour sécuriser et faciliter l’exploitation.

Le modèle de calcul a pu être testé sur des essais réels. Il a montré sa précision et sa fiabilité au profit de l’exploitant qui a ainsi affiné la connaissance du comportement de ses installations.

Datant de 1950, l’aménagement hydroélectrique de Salanfe (Suisse) comporte une longue galerie et une conduite forcée sans cheminée d’équilibre. Une modernisation des groupes de turbinage a conduit à effectuer une étude hydraulique des régimes transitoires. Celle-ci a révélé l’existence de zones de surpressions allant au-delà des pressions de dimensionnement initialement calculées. D’ailleurs, ces zones correspondent à celles de dégradations observées dans la galerie. L’amplitude de ces surpressionsprovient du raccourcissement des temps d’arrêts des turbines, opéré au fil du temps, afin de répondre aux exigences de réactivitéimposées par l’exploitation du réseau électrique. Ainsi, les calculs numériques effectués avec le progiciel Flowmaster® ont-ils permis de calculer le temps de fermeture autorisé pour toutes manœuvres respectant les surpressions admissibles par l’aménagement. Les calculs ont aussi permis d’estimer le niveau minimum d’exploitation du lac de retenue pour s’affranchir des risques de sous-pression dans la galerie.

Une telle étude garantit à l’exploitant la sécurité de son ouvrage et fixe les conditions d’exploitation qui assurent la pérennité des ouvrages exploités.

Dr Th. Jacob

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With a head of 878 m, the Veytaux (Switzerland) pumped storage hydroelectric power plant transfers waters between the Hongrin and Geneva Lakes. Further to a checking of all installations, cracks were discovered in the elbow, at the bottom of the metal-lined shaft, just before the entry in the power plant. In 2001, the elbow was changed. At the same time, a detailed hydraulic study was carried out in order to clear up any doubts on the mechanical risks run by the installations in case of current or emergency operations. A numerical modelling of hydraulic transients was achieved with the Flowmaster®software and has allowed

- to guarantee the work safety

- to determine precisely the operating conditions of the installation in terms of water level, without overflow in the surge chamber and maximum pressures to secure and make the operation easier.

The calculation model was checked through real tests. It has pointed out how precise and reliable it is for the operator who, therefore, sharpened his knowledge on the installation behaviour.

Salanfe (Switzerland) hydroelectric scheme was built in 1950. It includes a long pressure tunnel and penstock with no surge chamber. Further to a modernization of turbine units, an hydraulic study was carried out on transient working conditions. It pointed out overpressure zones exceeding initially calculated design pressures and corresponding to damage zones in the underground pressure tunnel. The amplitude of these overpressures comes from the shortening of turbine stop times in order to meet the response requirements of the electric network operator. In that way, numerical calculations carried out with the Flowmaster® software have allowed to calculate the authorized closing time for all operations meeting the allowable overpressure conditions of the scheme. The calculations have also allowed to estimate the minimum operation level of the storage reservoir to avoid risks associated with pressure drops in the pressure tunnel.

For the operator, such a study guarantees the work safety and determines the adequate operating conditions for ensuring a long lifetime of the installations.

Usine de Veytaux (Suisse)Veytaux hydroelectric scheme (Switzerland)

Turbine – barrage de Salanfe (Suisse)Turbine – Salanfe dam (Switzerland)

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C. Faessel

Modélisation de l’installation de FMHL (Suisse)FMHL installation modelling (Switzerland)

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Le projet se situe à l'intérieur d'un cratère. Géologiquement, la retenue des Herbes Blanches est donc complexe, notamment par la présence de cheminées basaltiques, typiques des zones volcaniques. La grande perméabilité du sol a rendu obligatoire la présence d'un étanchement artificiel.

Entre 1974 et 1976, des travaux initiaux opérés dans la retenue projetée, ont consisté à aménager cet ancien cratère volcanique en barrant son exutoire naturel par une digue. L'étanchéité de cette future retenue devait être assurée par la mise en place d'une géomembrane en butyle non armée et non protégée. Ces travaux correspondaient à une des premières applications des géomembranes dans le domaine des aménagements hydrauliques. La conception choisie et sa mise en œuvrese sont avérées catastrophiques. Après un premier remplissage, la géomembrane s'est déchirée et la retenue s'est vidée de ses 500 000 m3 d'eau en une seule nuit. Aucun exutoire à cette eau n’a pu être identifié.

Malgré de nombreuses expertises suivies de différentes tentatives de réparation, la retenue n'a jamais pu être étanchée et a été abandonnée dès 1988. Compte tenu de l'accroissement des besoins en eau de la plaine des Cafres, un concours de conception axé sur la réhabilitation de l'ensemble de cet aménagement a étédécidé en 2000 et adjugé à STUCKY.

Ainsi, la réalisation de travaux de reconnaissances complémentaires et une expertise très complète du contexte géologique et géotechnique du site, a permis la mise en évidence des causes des échecs antérieurs. Il s’agit :

• de la fragilité de la membrane butyle.Aucune protection de cette membrane n'avait été envisagée,

• lors de la pose de cette membrane, de forts coups de vent se sont abattus sur le chantier, agitant des pans entiers de la membrane et l' endommageant gravement avant même sa mise en place définitive,

• enfin, il est apparu que les caractéristiques mécaniques du matériau de fond de la retenue chutent de manière très importante dès que celui-ci est imbibéd'eau.

Le scénario des difficultés rencontrées a été établi comme tel : la membrane butyle très fragile et fragilisée par sa mise en œuvre présente alors de multiples micro-fissures. Sous la charge d'eau, des micro-fuites apparaissent et saturent le fond de la retenue, là où les matériaux ont une consistance contrastée. Cela provoque la concentration de déformations et la création de fissures ouvertes. Les micro-fissures de la membrane, non armée, se sont peu àpeu développées, laissant s'échapper de grandes quantités d'eau dans les ouvertures basaltiques.

P. Fauchon

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Due to its location in a crater, the Herbes Blanches reservoir was a complex project, from a geological point of view, mainly because of basaltic chimneys, which are typical from volcanic areas. Thus, the soil high permeability made it necessary to proceed to an artificial watertightness.

Between 1974 and 1976, works were carried out in the foreseen reservoir. It consisted in equipping the former volcanic crater by closing its natural outlet with an embankment. In order to make this reservoir watertight, a geomembrane was set up. It was made of non reinforced and non protected butyl. In fact, it was one of the first use of this kind of membrane in the field of hydraulic schemes. The selected design and its setting-up were a real disaster. After the reservoir was first filled in, the geomembrane was torn and the whole 500 000 m3 of water had gone in only one night. No outlet for this water could be identified.

In spite of many expertises and several attempts to repair it, the reservoir could never be made watertight. In 1988, the decision was made to abandon it. In 2000, considering the increasing needs of water of the Cafres plain, a design competition was launched. It was oriented towards the refurbishment of the whole scheme and STUCKY was awarded.

Therefore, additional reconnaissance works and a detailed expertise of the site geological and geotechnical context, allowed to point out the reasons of previous failures, such as:

• the butyl membrane fragility. No protection was foreseen for this membrane.

• when the membrane was set up, strong winds blew on the work site and shaked whole pieces of the membrane and damaged it seriously even before it was definitely put in,

• finally, it was pointed out that the mechanical characteristics of the reservoir bottom material decreased a lot after water saturation.

All the difficulties occurred as follows: the very fragile butyl membrame shows multiple micro-crackings. Under water load, micro-leaks appeared and saturated the reservoir bottom where materials have a different consistency. It caused concentrated strains leading to open leaks. The micro-leaks of the non reinforced membrane developped little by little and let large quantities of water escape in the basaltic openings.

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Retenue des Herbes BlanchesHerbes Blanches Reservoir

Les principes de réhabilitation de l’étanchement ont pu alors être développés :

• le terrassement de la retenue a été entièrement repris (pentes des talus périphériques constantes de 2/1) et en réglant soigneusement le fond afin de garantir de bonnes conditions de drainage,

• compte tenu du diagnostic géotechnique peu favorable, le principe d'une double étanchéité de l'emprise de la cuvette a été retenu comprenant :

- une première étanchéité par scories et lapillis du site mis en remblais et bien compactés sur 0.80 m,

- une couche drainante de 0.40 m destinée à créer une importante variation de perméabilité et à collecter toute fuite éventuelle de la géomembrane,

- une géomembrane en PVC de 2 mm d'épaisseur protégée sur ses deux faces par un géotextile.

• en raison du régime cyclonique de la Réunion (vents dépassant 300 km/h ), la géomembrane a étélestée. Le lestage du fond a été réalisé par la pose d'une couche de scories de 0,50 m réglée directement sur la géomembrane. Pour les talus périphériques, la solution consiste en un dallage en béton de 0,17 cm d'épaisseur, non buté en pied de talus mais ancré en haut sur une risberme périphérique en béton de fibre.

Prochaine éditionProcessus de coordination entre génie civil et équipement électromécanique du projet de Deriner (Turquie)

Maîtrise des risques au Lac Sarez (Tadjikistan)

Next IssueCoordination process between civil works and electromechanical equipment of the Deriner project (Turkey)

Sarez Lake risk mitigation project (Tadjikistan)

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Ouvrages souterrains et structuresUnderground Works and Structures

Then, the principles of refurbishment of the watertightness were developped as follows:

• the earthworks of the reservoir were completely refurbished (constant peripheral slopes of 2/1) and the bottom was adjusted to maintain good drainage conditions.

• considering the unfavorable geotechnical diagnosis, the principle of a double watertightness of the reservoir area was decided, including;

- a first watertightness: scorias and lapillis of the site filled and compacted on 0.80 m thick,

− a drainage layer of 0.40 m thick to create an important variation of permeability and to collect any possible leak of the geomembrane,

- a PVC geomembrane of 2 mm thick protected on both sides by a geotextile.

• the Reunion Island being subject to cyclones, (winds exceeding 300 km/h), the geomembrane was ballasted. The bottom ballast was composed of a layer of scoriasof 0.50 m thick directly adjusted to the geomembrane. For peripheral slopes, the solution consisted in a concrete pavement of 0.17 cm thick, with a passive earth pressure at the slope foot but anchored to the top on a fiber concrete peripheral berm.

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