Des tourbillons pour nettoyer les barrages

Comme la retenue de Mauvoisin en Valais ou le barrage de Xiaowan en Chine, tous les barrages de la planète doivent faire face au même problème : l’accumulation des sédiments dans leur réservoir d’eau. Une situation connue et prise en compte par la mise en place d'un «volume mort» inexploitable, destiné à l’accumulation des alluvions. Ces dépôts, s’ils ne sont pas évacués, programment le comblement inéluctable du bassin, suivant les cas en quelques dizaines d’années seulement, jusqu’à le transformer en plage de sable.

Une équipe de l’EPFL a développé un dispositif ingénieux de jets d’eau sous-marins qui, en provoquant des tourbillons, maintient les sédiments les plus fins en suspension et permet de les évacuer facilement lors du turbinage. Grâce à ce procédé, les réservoirs gagneraient en longévité, car il empêche une partie des sédiments de se déposer et pourrait même remettre en suspension les dépôts déjà installés. La recherche a été publiée dans Chemical Engineering Science et dans Journal of Hydraulic Engineering.

Des dépôts contre les parois
Autrefois, pour éliminer ces sédiments, on purgeait les barrages à intervalle régulier, environ tous les 10 à 20 ans. Un geste radical qui, effectivement, nettoyait le réservoir, mais dévastait fréquemment tout ce qui se trouvait en aval, tant la faune que la flore. Aujourd’hui, cette démarche est soumise à de très strictes conditions sur les débits et les charges en sédiments, mais reste encore le moyen le plus utilisé.

L’autre possibilité est de déblayer les dépôts, une solution très onéreuse – les sédiments peuvent s’accumuler sur des dizaines voire une centaine de mètres le long du barrage. On choisit alors d’investir cet argent pour surélever les ouvrages d’art et créer ainsi plus de stockage. Une solution palliative qui n’est pas toujours possible et évidemment temporaire puisque les sédiments continuent à se déposer.

Simulations prometteuses
Le concept des jets d’eau sous-marins, testé dans le laboratoire de constructions hydrauliques de l’EPFL, a permis d’expérimenter plusieurs configurations. Dans un bassin de 12m3, quatre jets ont été installés ainsi que 3 kg de poudre de noix. «De la même taille que les sédiments, mais un peu plus légères, les coquilles de noix broyées permettent d’extrapoler ce qui se passerait dans le réservoir du barrage», précise Giovanni De Cesare.

L’idée est de positionner des jets d’eau pour qu’ils provoquent un flux de rotation, comme le ferait un mixer. Les chercheurs ont déterminé qu’une configuration de quatre jets, disposés en cercle sur un plan horizontal, se révélait la plus performante. Ils ont aussi fait une découvert étonnante : en fonction de la hauteur des jets, le sens de rotation de l’eau change et agrandit la zone d’influence des tourbillons. Des tourbillons qui vont éjecter les particules dans tous les sens plutôt que de les aspirer sur une seule zone.

Les ingénieurs ont ensuite transposé leurs résultats sur un cas concret, le barrage de Mauvoisin en Valais. En appliquant cette technique de jet d’eau, les calculs préliminaires montrent qu’on pourrait empêcher 20% des sédiments de se déposer dans le réservoir, chaque année. De plus, à Mauvoisin, les jets fonctionneraient sans discontinuer, alimentés par une source naturelle, qui se jette de plus de 100 mètres dans le bassin, assurant une pression suffisante.

Un prototype devrait bientôt être construit et testé sur plusieurs barrages suisses, dans le cadre du SCCER-SoE (Swiss Competence Center in Energy Research – Supply of Electricity)

Chemical Engineering Science
Release of suspension particles from a prismatic tank by multiple jet arrangements
Jolanda M.I. Jenzer Althaus, Giovanni De Cesare, Anton J. Schleiss
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250916300227
et
Journal of Hydraulic Engineering
Sediment Evacuation from Reservoirs through Intakes by Jet-Induced Flow
Jolanda M.I. Jenzer Althaus, Giovanni De Cesare, Anton J. Schleiss
http://ascelibrary.org/doi/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000970