barrage
barrage, ouvrage artificiel construit en travers d'un cours d'eau afin d'en arrêter, de ralentir ou de contrôler l'écoulement. Un barrage permet généralement de créer une retenue d'eau, d'élever le niveau d'une rivière en amont ou encore de former un vaste réservoir artificiel. Ces structures comptent parmi les plus importantes réalisations du génie civil moderne et jouent un rôle essentiel dans l'approvisionnement en eau, la production d'électricité et la gestion des ressources hydriques. Les barrages peuvent être édifiés en béton, en pierre, en terre compactée ou à l'aide de matériaux composites selon les caractéristiques du terrain et les objectifs recherchés. Certains barrages atteignent des dimensions gigantesques et figurent parmi les plus grandes constructions humaines visibles à grande distance. Les réservoirs qu'ils créent modifient profondément les paysages naturels et influencent souvent l'économie et le développement des régions environnantes.
Plusieurs raisons motivent la construction d'un barrage. L'une des plus importantes consiste à concentrer la pente naturelle d'une rivière afin de produire de l'électricité grâce à l'énergie potentielle de l'eau, appelée Hydroélectricité. L'eau accumulée derrière le barrage peut être dirigée vers des turbines qui entraînent des générateurs électriques. Les barrages servent également à stocker de grandes réserves d'eau destinées à l'alimentation des villes, à l'agriculture et aux systèmes d'irrigation. Dans certaines régions, ils permettent d'augmenter la profondeur des rivières afin de faciliter la navigation commerciale et le transport fluvial. Ils jouent aussi un rôle majeur dans le contrôle des crues et des sécheresses en régularisant le débit des cours d'eau. Plusieurs barrages créent enfin des lacs artificiels utilisés pour les loisirs, la pêche, les sports nautiques ou le tourisme. De nombreux ouvrages modernes remplissent simultanément plusieurs de ces fonctions.
Historique
Le premier barrage connu aurait été construit en Égypte vers 4000 avant J.-C. afin de détourner une partie des eaux du Nil et de favoriser l'établissement de la ville de Memphis. Dès l'Antiquité, plusieurs civilisations comprirent l'importance de contrôler l'eau pour développer l'agriculture et assurer l'approvisionnement des populations. Les Babyloniens construisirent notamment de nombreux barrages en terre destinés à alimenter de vastes réseaux d'irrigation. Grâce à ces ouvrages, des régions auparavant arides ou peu fertiles purent être cultivées et soutenir d'importantes populations humaines. Les anciens peuples du Moyen-Orient, de la Chine et de l'Inde développèrent également des systèmes hydrauliques sophistiqués utilisant des digues, des canaux et des réservoirs.
Par la suite, l'être humain apprit à utiliser la force des cours d'eau pour faire fonctionner des moulins, des roues hydrauliques et différentes machines mécaniques. Les barrages devinrent alors des éléments essentiels du développement économique et artisanal. Toutefois, les barrages anciens étaient souvent fragiles et vulnérables aux inondations, aux infiltrations et à l'érosion. Peu d'ouvrages datant de plus de quelques siècles sont encore pleinement fonctionnels aujourd'hui. La construction de barrages plus durables et plus imposants devint réellement possible avec l'apparition du ciment moderne, du béton armé et des machines de terrassement capables de déplacer d'énormes quantités de matériaux. Les progrès du génie civil aux XIXe et XXe siècles permirent alors l'édification de barrages gigantesques destinés à l'irrigation, à l'alimentation en eau et à la production d'électricité.
De nouveaux types de barrages apparurent également au cours du XXe siècle. Certains ouvrages exploitent par exemple l'énergie des marées, comme celui de l'Usine marémotrice de la Rance en France, qui retient l'eau de mer amenée par les marées afin de produire de l'électricité. Aujourd'hui, on compte dans le monde plus de 35 000 barrages de plus de 15 mètres de hauteur, tandis que plusieurs milliers d'autres sont encore en construction ou en projet. Certains de ces ouvrages figurent parmi les plus grandes infrastructures jamais réalisées par l'être humain.
Conception
La rupture d'un barrage pouvant provoquer des catastrophes majeures, la conception de ces ouvrages exige des études extrêmement rigoureuses. Les ingénieurs doivent prévoir d'importantes marges de sécurité et assurer une surveillance constante pendant la construction ainsi que durant toute la vie utile du barrage. Une défaillance structurelle pourrait entraîner des inondations catastrophiques capables de détruire des villes, des infrastructures et des terres agricoles situées en aval. Pour cette raison, chaque barrage fait l'objet d'analyses détaillées avant le début des travaux.
Sécurité
La conception d'un barrage doit tenir compte de nombreux facteurs hydrologiques, géologiques et topographiques. Les spécialistes analysent notamment le débit moyen des rivières, les variations saisonnières des précipitations et les risques de crues exceptionnelles. Les caractéristiques topographiques du site sont également étudiées afin d'adapter la structure au relief environnant. Les ingénieurs doivent aussi considérer les risques de séismes et les mouvements éventuels du sol. Avant la construction, des études approfondies sont réalisées sur les fondations naturelles et sur la cuvette destinée à recevoir le réservoir. Le sol doit être suffisamment solide et étanche pour supporter le poids colossal du barrage ainsi que celui des millions de tonnes d'eau accumulées derrière l'ouvrage.
Tout problème d'étanchéité doit être soigneusement évité afin d'empêcher les pertes d'eau et surtout l'affouillement, c'est-à-dire l'érosion progressive des fondations ou de la structure elle-même. Les géologues déterminent la profondeur du socle rocheux situé sous les couches de sédiments et d'alluvions afin de garantir la stabilité de l'ouvrage. Un barrage doit être capable de résister à plusieurs forces importantes : la gravité, qui tend à provoquer son affaissement sous son propre poids ; la pression hydrostatique exercée par l'eau sur toute la hauteur de l'édifice ; les pressions internes dans les matériaux ; ainsi que les contraintes mécaniques produites par les variations de température et les mouvements du terrain.
La sécurité d'un barrage dépend également de nombreux équipements mécaniques et électriques. Ces dispositifs servent à contrôler le niveau du réservoir, à évacuer les crues, à détourner l'eau pendant les travaux ou à acheminer l'eau vers des centrales hydroélectriques. Certains barrages comportent aussi des écluses permettant le passage des navires d'un niveau d'eau à un autre. Les systèmes modernes utilisent des capteurs électroniques, des instruments de mesure et des centres de contrôle informatisés capables de surveiller en permanence les mouvements de la structure et les variations de pression. Grâce à ces technologies, les exploitants peuvent détecter rapidement tout problème potentiel et intervenir avant qu'une situation dangereuse ne se développe.
Autres critères
L'objectif principal de nombreux barrages modernes est la production d'électricité grâce à l'Hydroélectricité. Dans ce contexte, la hauteur du barrage constitue un facteur essentiel, car la puissance produite par une centrale hydroélectrique augmente généralement avec la hauteur de chute de l'eau retenue derrière l'ouvrage. Plus la différence de niveau entre le réservoir et les turbines est importante, plus l'énergie potentielle de l'eau peut être convertie efficacement en énergie mécanique puis en électricité. Pour les barrages destinés principalement à la régulation des crues et des inondations, c'est surtout le volume du réservoir qui devient le critère déterminant. Un grand bassin de retenue permet de stocker temporairement d'énormes quantités d'eau lors des périodes de fortes précipitations ou de fonte des neiges, limitant ainsi les risques d'inondation en aval.
La hauteur d'un barrage dépend avant tout des caractéristiques topographiques du site choisi. Les vallées étroites et profondes sont souvent privilégiées, car elles permettent de retenir de grandes quantités d'eau avec une structure relativement compacte. Toutefois, plusieurs autres facteurs doivent être pris en considération avant d'entreprendre un projet d'une telle ampleur. Les ingénieurs et les autorités doivent notamment évaluer les impacts environnementaux, sociaux et économiques associés à la construction du barrage. La création d'un vaste réservoir peut entraîner l'inondation de forêts, de terres agricoles, de villages ou de sites archéologiques importants. Les infrastructures existantes comme les routes, les autoroutes, les voies ferrées ou les lignes électriques peuvent également devoir être déplacées ou modifiées pour permettre la réalisation du projet.
Il est souvent préférable que le lac artificiel créé par un barrage soit très vaste tout en demeurant relativement peu profond, afin de maximiser le volume d'eau stocké sans nécessiter une digue excessivement élevée. L'un des exemples les plus connus est celui du Lac Kariba, créé sur le Zambèze. Ce gigantesque réservoir est situé à environ 125 mètres au-dessus du lit naturel du fleuve. Une fois rempli en 1963, le lac atteignait environ 282 kilomètres de longueur et couvrait une superficie d'environ 5 180 kilomètres carrés. Il contient près de 163 milliards de mètres cubes d'eau, ce qui en fait l'un des plus grands réservoirs artificiels du monde. Outre la production d'électricité, le lac Kariba joue un rôle important pour la pêche, la navigation et le tourisme dans la région.
Construction
Le barrage
La construction d'un barrage constitue une opération extrêmement complexe nécessitant d'importants travaux préparatoires. Avant d'ériger la structure principale, il faut généralement assécher temporairement la zone où seront aménagées les fondations. Cette opération est réalisée au moyen de batardeaux, c'est-à-dire des digues ou barrages provisoires construits afin de détourner le cours de la rivière. Ces ouvrages temporaires sont souvent constitués d'enrochements, de remblais ou parfois de petits barrages-voûtes. Les batardeaux sont construits en amont du chantier, et parfois sur les côtés, afin de créer une zone sèche permettant le travail des ouvriers et des machines.
L'eau de la rivière est ensuite déviée à l'aide de conduites, de tunnels, de galeries souterraines ou de canaux spécialement aménagés pour contourner la future structure. Dans plusieurs cas, les tunnels utilisés pour détourner la rivière sont réaménagés après la construction et servent ensuite à l'évacuation des crues ou à d'autres fonctions hydrauliques. Lorsque les conditions topographiques rendent impossible la construction de canaux de dérivation, les ingénieurs peuvent construire le barrage en plusieurs étapes. Un batardeau est alors installé sur une partie de la rivière afin de permettre l'édification d'une première section du barrage. Une fois cette portion terminée, le batardeau est déplacé vers l'autre moitié du cours d'eau afin d'achever la structure complète.
La construction de grands barrages peut durer plus de dix ans et mobiliser des milliers de travailleurs, d'ingénieurs et de spécialistes. Pendant toute cette période, le risque d'inondations importantes demeure une préoccupation majeure, particulièrement lors des saisons de fortes pluies. Parmi les projets les plus impressionnants figure celui des Trois-Gorges construit sur le Yang-Tsé-Kiang en Chine. Achevé en 2006, ce barrage est considéré comme le plus grand du monde. Il mesure environ 2,3 kilomètres de longueur et 185 mètres de hauteur, tandis que le lac artificiel créé en amont dépasse 600 kilomètres de longueur. Ce gigantesque ouvrage devait permettre de réduire les inondations catastrophiques du fleuve et d'augmenter considérablement la production d'électricité hydroélectrique de la Chine.
Le barrage des Trois-Gorges peut produire environ 85 milliards de kilowattheures d'électricité par année, soit l'équivalent de la production annuelle de plusieurs centrales nucléaires. Cependant, sa construction eut aussi d'importantes conséquences sociales et environnementales. Environ deux millions de personnes durent être déplacées et relogées en raison de l'inondation des zones habitées. De nombreux villages, terres agricoles et sites historiques furent engloutis sous les eaux. Les spécialistes ont également signalé plusieurs impacts écologiques, notamment l'érosion accrue des berges, la modification des écosystèmes aquatiques et les perturbations de certaines espèces animales vivant dans le bassin du fleuve.
Les bassins de rétention
L'eau rejetée en aval d'un barrage possède souvent une très grande vitesse et une énergie considérable. Sans protection adéquate, ce courant pourrait creuser profondément le lit de la rivière, provoquer une forte érosion ou même endommager les fondations du barrage par cavitation. Afin de limiter ces risques, les ingénieurs aménagent des structures appelées bassins de rétention ou bassins dissipateurs d'énergie. Ces ouvrages servent à ralentir l'eau et à réduire son énergie cinétique avant qu'elle ne retourne dans le cours naturel de la rivière.
Plusieurs types de bassins sont utilisés dans les barrages modernes. Le bassin en tablier et le bassin à chocs figurent parmi les modèles les plus courants. Dans un bassin en tablier, le courant rapide et peu profond provenant du barrage est transformé en un courant plus lent et plus profond grâce à un tablier de béton horizontal ou légèrement incliné situé en aval de l'ouvrage. Cette transformation réduit considérablement la force destructrice de l'eau. Dans le cas du bassin à chocs, la structure est conçue pour dévier le débit vers le haut, loin du lit de la rivière. Le choc provoqué par cette déviation contribue à dissiper l'énergie de l'eau et à limiter les phénomènes d'Érosion.
Surveillance de l'ouvrage
La surveillance d'un barrage demeure essentielle pendant toute sa durée de vie. Les ingénieurs doivent détecter rapidement les fuites, les suintements, les fissures et les déformations pouvant affecter la stabilité de l'ouvrage. Cette opération de contrôle est appelée auscultation du barrage. Elle commence souvent dès la phase de construction et se poursuit continuellement après la mise en service de l'installation.
Divers instruments spécialisés sont utilisés pour surveiller les déplacements et les contraintes à l'intérieur de la structure. Les procédés topographiques permettent de mesurer les mouvements visibles à la surface du barrage. Les déplacements internes sont observés à l'aide de tassomètres, de clinomètres ou encore de pendules dans le cas des barrages en béton. Les ingénieurs analysent également les débits de fuite, les pressions interstitielles, les contraintes mécaniques et les déformations des matériaux afin de vérifier que le barrage demeure sécuritaire. Grâce aux technologies modernes, plusieurs barrages sont aujourd'hui équipés de systèmes électroniques automatisés capables de transmettre en temps réel des données aux centres de surveillance.
Ouvrages annexes
Un barrage est généralement accompagné de plusieurs ouvrages annexes indispensables à son fonctionnement et à sa sécurité. Ces installations comprennent notamment les évacuateurs de crues, qui permettent de libérer l'excès d'eau lors des fortes pluies, les dispositifs de vidange destinés à abaisser le niveau du réservoir lorsque nécessaire, ainsi que les prises d'eau servant à alimenter les centrales hydroélectriques, les réseaux d'irrigation ou les systèmes d'approvisionnement en eau potable. Certains barrages possèdent également des écluses permettant le passage des bateaux d'un niveau d'eau à un autre. Tous ces équipements complémentaires jouent un rôle essentiel dans la gestion efficace et sécuritaire des grands ouvrages hydrauliques modernes.
Évacuateurs de crues ou déversoirs
Lorsque le niveau normal d'un réservoir atteint la limite prévue par les ingénieurs, des dispositifs spéciaux appelés déversoirs ou évacuateurs de crues permettent d'empêcher que l'eau ne dépasse un seuil dangereux. Ces ouvrages jouent un rôle essentiel dans la sécurité globale du barrage, car ils doivent être capables d'évacuer des volumes d'eau extrêmement importants lors des fortes pluies, des crues printanières ou des tempêtes exceptionnelles. Sans ces systèmes, une montée excessive du niveau de l'eau pourrait entraîner le débordement du barrage et provoquer des dommages catastrophiques à la structure. Les déversoirs servent donc à évacuer le surplus d'eau tout en protégeant le barrage, les centrales hydroélectriques, les infrastructures voisines et le lit de la rivière situé en aval.
Le type de déversoir le plus répandu est le dégorgeoir. Ce système permet à l'eau excédentaire de franchir un seuil aménagé spécialement pour résister à l'érosion et aux fortes pressions hydrauliques. Afin d'utiliser au maximum la capacité du réservoir, plusieurs barrages modernes sont équipés de vannes mobiles installées au-dessus de la crête du barrage. Ces vannes peuvent être ouvertes ou fermées progressivement pour réguler précisément le débit d'eau évacué. Sur certains grands barrages, notamment ceux aménagés sur le Mississippi, les évacuateurs de crues occupent pratiquement toute la largeur de la structure. Le barrage prend alors l'apparence d'une série de piles verticales supportant d'immenses vannes métalliques mobiles capables de contrôler des débits gigantesques.
Un autre type de déversoir fréquent est la glissière. Il s'agit d'un large canal en béton à pente douce aménagé généralement sur les côtés ou aux extrémités d'un barrage de remblai. Lorsque le niveau de l'eau devient trop élevé, l'eau s'écoule rapidement dans ce chenal et retourne vers la rivière en aval. Les glissières sont conçues pour résister à la puissance de l'eau et limiter les risques d'érosion. Le choix du type de déversoir dépend souvent de la topographie du site. Dans les vallées étroites et profondes, par exemple, les pentes rocheuses peuvent être trop abruptes pour permettre l'installation d'un dégorgeoir classique.
Le célèbre Barrage Hoover, construit sur le Fleuve Colorado aux États-Unis, utilise un système particulier de déversoirs en forme de puits verticaux. Ce type d'installation est adapté aux régions où les grandes inondations sont relativement rares, mais où il faut néanmoins prévoir un dispositif capable d'évacuer rapidement les surplus d'eau. Dans ce système, l'eau du réservoir entre dans un puits vertical situé en amont du barrage lorsque le niveau dépasse une certaine limite. L'eau est ensuite dirigée dans un tunnel horizontal traversant la montagne ou le barrage avant de rejoindre la rivière située plus bas. Ces structures spectaculaires figurent parmi les réalisations les plus impressionnantes du génie hydraulique moderne.
Ouvrages provisoires d'évacuation
Les barrages comportent également divers ouvrages internes destinés à contrôler les infiltrations d'eau et à protéger la stabilité de la structure. Des galeries et des puits de drainage sont aménagés à l'intérieur même du barrage ou dans ses fondations afin de recueillir les eaux qui pourraient s'infiltrer dans l'ouvrage. Ces infiltrations doivent être contrôlées avec soin, car elles peuvent provoquer une augmentation des sous-pressions et fragiliser progressivement la structure.
Les galeries de drainage sont souvent réparties sur plusieurs niveaux à l'intérieur du barrage. Elles servent à collecter les eaux infiltrées puis à les acheminer vers les rives ou vers des zones profondes du socle rocheux. Les ingénieurs utilisent également ces galeries pour inspecter l'intérieur du barrage, surveiller les fissures éventuelles et effectuer certains travaux d'entretien. Dans les grands barrages modernes, ces tunnels peuvent être suffisamment vastes pour permettre la circulation de véhicules techniques et d'équipements spécialisés.
Les puits de drainage contribuent eux aussi à réduire les pressions exercées par l'eau dans les fondations rocheuses. Grâce à ces dispositifs, les risques d'affouillement, de glissement ou de soulèvement du barrage sont fortement diminués. Les systèmes de drainage représentent donc un élément fondamental de la sécurité hydraulique et structurelle de l'ouvrage.
Prises d'eau
En plus des déversoirs destinés aux crues exceptionnelles, les barrages doivent disposer d'ouvrages permettant l'évacuation continue et contrôlée de l'eau du réservoir. Ces installations, appelées prises d'eau, servent à alimenter les centrales hydroélectriques, les réseaux d'irrigation, les systèmes d'alimentation en eau potable ou encore à maintenir un débit minimal dans la rivière située en aval du barrage.
L'eau est généralement captée au moyen de grandes conduites, de galeries souterraines ou de canaux spécialement aménagés. Ces infrastructures sont souvent situées près du niveau minimal du réservoir afin de pouvoir continuer à fonctionner même lorsque le niveau de l'eau diminue. Les prises d'eau sont équipées de portes métalliques, de vannes et de systèmes mécaniques permettant de contrôler avec précision le débit acheminé vers les différentes installations.
Dans les centrales hydroélectriques, l'eau captée est dirigée sous pression vers des turbines qui transforment l'énergie hydraulique en énergie mécanique puis en électricité. Les prises d'eau doivent donc être conçues pour résister à des pressions très importantes et pour empêcher l'accumulation de débris, de glace ou de sédiments susceptibles de perturber le fonctionnement des installations.
Vidanges de fond
La plupart des barrages modernes possèdent également un ouvrage appelé vidange de fond, situé à la base du réservoir. Ce dispositif est essentiel pour des raisons de sécurité et d'entretien. En cas de danger, de problème structurel ou de risque de rupture, il doit permettre de vider rapidement une partie importante du réservoir afin de réduire la pression exercée sur le barrage.
Les vidanges de fond servent aussi lors des inspections, des travaux de maintenance ou des réparations de l'ouvrage et de ses installations annexes. Selon les normes de sécurité, certains barrages doivent être capables de vider leur retenue principale en huit à dix jours seulement. Ces dispositifs utilisent généralement de grandes conduites métalliques et des vannes de très forte capacité pouvant évacuer des volumes d'eau considérables.
Lorsque le barrage est destiné à la production d'électricité, la centrale hydroélectrique constitue également l'un des ouvrages annexes majeurs. Dans plusieurs cas, l'usine est construite à proximité immédiate du barrage, tandis que dans d'autres installations elle est directement intégrée à la structure de béton elle-même. Les salles des turbines, des générateurs et des systèmes de contrôle peuvent atteindre des dimensions impressionnantes et nécessitent des équipements industriels très complexes.
Types de barrages
Il existe plusieurs grandes catégories de barrages, chacune adaptée à des conditions géologiques, topographiques et économiques particulières. Les barrages peuvent être construits en maçonnerie, en béton ou à partir de matériaux meubles comme la terre et les enrochements. Les barrages en béton appartiennent généralement à plusieurs types principaux : les barrages-poids, les barrages-voûtes, les barrages à contreforts et les barrages mobiles.
Les barrages-poids sont d'immenses structures massives dont le propre poids suffit à résister à la poussée exercée par l'eau du réservoir. Les barrages-voûtes, quant à eux, possèdent une forme incurvée qui transmet les forces vers les flancs rocheux de la vallée. Les barrages à contreforts utilisent une série de murs triangulaires ou de supports pour renforcer la structure tout en réduisant la quantité de béton nécessaire. Les barrages mobiles, généralement plus bas, servent surtout à réguler le niveau des rivières et à faciliter la navigation fluviale.
Les barrages en béton exigent des fondations rocheuses extrêmement solides afin de supporter les charges considérables exercées par l'eau et par la structure elle-même. Ces ouvrages sont souvent utilisés comme barrages-réservoirs destinés à l'irrigation, à la production d'énergie ou au contrôle des crues.
Parmi les barrages en matériaux meubles figurent les barrages en enrochement, les barrages en terre homogène et les barrages mixtes. Les barrages mixtes possèdent généralement un noyau central étanche constitué d'argile, entouré de remblais rocheux destinés à assurer la stabilité de l'ensemble. Le choix du type de barrage dépend de nombreux facteurs, notamment la disponibilité des matériaux de construction, le coût du transport, l'accessibilité du site, la géologie locale et les exigences de sécurité.
Les barrages en béton
Les barrages en béton comptent parmi les ouvrages hydrauliques les plus imposants jamais réalisés par l'être humain. Grâce à la résistance du béton armé, ces structures peuvent atteindre des hauteurs gigantesques et retenir des volumes d'eau considérables. Leur construction nécessite cependant des études géologiques approfondies, des équipements de chantier très spécialisés et des investissements financiers extrêmement importants.
Le barrage-poids
Le barrage-poids moderne est une structure massive en béton conçue pour résister à la poussée de l'eau principalement grâce à son propre poids. Son profil est généralement triangulaire : très épais à la base afin d'assurer sa stabilité, puis progressivement plus mince vers le sommet afin de réduire la quantité de matériaux nécessaires. Vu du dessus, ce type de barrage peut être parfaitement rectiligne ou légèrement incurvé, ce qui permet parfois de diminuer le volume total de béton utilisé et donc de réduire les coûts de construction. La face située du côté amont, c'est-à-dire du côté du réservoir, est presque verticale, tandis que la face aval est inclinée. La pression exercée par la masse énorme du barrage l'empêche de basculer ou de glisser sur ses fondations.
Le barrage-poids est considéré comme l'un des types de barrages les plus stables et les plus durables. Sa conception relativement simple facilite également les opérations d'entretien et de surveillance. Toutefois, ces ouvrages nécessitent des fondations extrêmement solides capables de supporter des charges gigantesques. Pour cette raison, les barrages-poids de grande hauteur sont presque toujours construits directement sur le socle rocheux plutôt que sur des terrains alluviaux moins stables. La hauteur maximale d'un barrage-poids dépend donc fortement de la qualité géologique du site.
Parmi les exemples célèbres figure le Barrage de la Grande-Dixence, achevé en 1961 en Suisse. Avec une hauteur d'environ 285 mètres, il compte parmi les plus hauts barrages du monde. Cette immense structure en béton mesure près de 700 mètres de longueur et repose sur des fondations rocheuses particulièrement stables. Un autre exemple remarquable est le Grand Coulee Dam, construit sur le Fleuve Columbia dans l'État de Washington. Achevé en 1942, ce barrage possède une hauteur de 168 mètres et une longueur d'environ 1 592 mètres. Sa construction nécessita près de huit millions de mètres cubes de béton, illustrant l'ampleur gigantesque des barrages-poids modernes.
Le barrage-voûte
Le barrage-voûte repose sur des principes semblables à ceux utilisés dans les ponts en arche. Au lieu de résister uniquement grâce à son poids, il utilise principalement sa forme incurvée pour transmettre les forces exercées par l'eau vers les parois rocheuses de la vallée. La voûte est orientée vers l'amont, c'est-à-dire en direction du réservoir. Ainsi, la pression de l'eau est répartie le long de la structure et transférée surtout vers les flancs de la vallée ou du canyon dans lequel le barrage est construit. Certains barrages-voûtes possèdent également une courbure verticale en plus de leur courbure horizontale ; on parle alors de barrage-coupole.
À l'origine, les barrages-voûtes adoptaient généralement une forme circulaire relativement simple. Avec le développement de l'informatique et des outils de modélisation mathématique, les ingénieurs ont toutefois pu concevoir des formes beaucoup plus complexes et optimisées. Certains barrages modernes utilisent des profils inspirés des spirales logarithmiques afin de mieux répartir les contraintes mécaniques. Des ingénieurs de EDF ont notamment participé à l'élaboration de telles conceptions avancées.
Dans des conditions géologiques favorables, les barrages-voûtes nécessitent beaucoup moins de béton que les barrages-poids. Leur stabilité dépend davantage de leur géométrie et de la solidité des parois rocheuses que de leur masse propre. Cependant, relativement peu de sites conviennent à ce type d'ouvrage, car ils exigent des vallées étroites et des appuis rocheux particulièrement résistants. Lorsqu'ils sont bien conçus, les barrages-voûtes figurent parmi les ouvrages hydrauliques les plus sûrs.
Le premier barrage-voûte connu aurait été construit en Iran à la fin du XIIIe siècle. Il s'agit du barrage de Kebar, haut d'environ 45 mètres et large de 55 mètres. Parmi les ouvrages modernes remarquables figure le Barrage d'Inguri, construit en 1980 en Géorgie. Avec une hauteur de 272 mètres et une largeur de 680 mètres, il compte parmi les plus hauts barrages-voûtes du monde.
Le plus célèbre barrage combinant les principes du barrage-poids et du barrage-voûte est sans doute le Barrage Hoover, construit sur le Fleuve Colorado à la frontière de l'Arizona et du Nevada. Achevé en 1936, cet ouvrage atteint environ 210 mètres de hauteur et près de 400 mètres de longueur. Le Lac Mead, formé par le barrage Hoover, constitue l'un des plus grands lacs artificiels du monde avec une superficie d'environ 694 kilomètres carrés et près de 885 kilomètres de rives. En France, le Barrage de Tignes est également un exemple important de barrage-voûte.
Une variante intéressante destinée aux vallées plus larges fut développée par l'ingénieur français André Coyne : le barrage à voûtes multiples. Ce type d'ouvrage remplace la paroi amont continue par une série de voûtes cylindriques en béton armé de portée réduite. Le Barrage Daniel-Johnson, également connu sous le nom de Manicouagan V, constitue un exemple spectaculaire de cette technologie. Construit en 1968 sur la rivière Manicouagan, ce barrage comprend douze voûtes de 75 mètres de portée ainsi qu'une voûte centrale de 120 mètres d'ouverture. Sa hauteur atteint environ 285 mètres et sa largeur totale en crête dépasse 1 300 mètres.
Le barrage à contreforts
Le barrage à contreforts est constitué d'un voile étanche soutenu par une série de piliers ou de renforts régulièrement espacés. La partie amont, appelée masque plan amont, supporte directement la pression de l'eau retenue par le barrage. Les contreforts, qui prennent souvent la forme de murs triangulaires verticaux, transmettent ensuite cette poussée vers les fondations de l'ouvrage. Le voile étanche est généralement incliné vers l'aval afin que le poids de l'eau contribue à stabiliser l'ensemble de la structure.
Grâce à cette conception, les barrages à contreforts nécessitent beaucoup moins de béton qu'un barrage-poids classique de dimensions comparables. Ils utilisent souvent seulement 35 à 50 % du volume de béton requis pour un barrage-poids équivalent. Pour cette raison, on les appelle parfois barrages-poids creux. Les modèles à dalles planes et les barrages à voûtes multiples représentent des variantes courantes de cette catégorie. Le Barrage de Girotte, situé dans les Alpes françaises, constitue un exemple connu de barrage à contreforts.
Malgré les économies réalisées sur les matériaux, ces barrages ne sont pas toujours moins coûteux à construire. Leur structure complexe exige souvent davantage de travaux spécialisés, d'armatures métalliques et de techniques de construction sophistiquées. Ils sont cependant utiles lorsque les fondations sont moins résistantes ou lorsque la vallée est trop large pour un barrage-voûte. Le premier barrage à contreforts en béton armé fut construit en 1903 à Theresa. Un autre exemple important est le Barrage Alcántara II, achevé en 1969 en Espagne, avec une hauteur de 128 mètres et une longueur d'environ 570 mètres.
Le barrage mobile
Le barrage mobile, également appelé barrage à niveau constant, est un ouvrage de hauteur relativement faible généralement construit dans les parties basses des rivières. Ces barrages sont surtout utilisés pour maintenir un niveau d'eau stable afin de favoriser la navigation, l'irrigation ou la gestion des estuaires. Ils possèdent des éléments mobiles appelés bouchures, constitués principalement de vannes métalliques réglables.
La partie fixe du barrage correspond généralement à un radier étanche protégeant le fond du cours d'eau. En ajustant l'ouverture des vannes, les exploitants peuvent contrôler précisément le niveau de l'eau en amont. Ce type de barrage est particulièrement utile dans les estuaires, les deltas et les rivières à faible pente où il faut maintenir un tirant d'eau suffisant pour les bateaux.
Les barrages en matériaux meubles
Les barrages en matériaux meubles fonctionnent eux aussi principalement comme des barrages-poids, mais ils n'utilisent pas de grandes structures de béton pour assurer leur stabilité et leur étanchéité. Ils sont construits à partir de terre compactée, de sable, de gravier ou d'enrochements. Ces barrages présentent une grande souplesse structurelle, ce qui les rend particulièrement résistants aux tremblements de terre et aux mouvements du terrain.
La plupart des barrages en matériaux meubles sont en réalité des barrages mixtes combinant plusieurs types de matériaux. Certains possèdent un noyau central étanche en argile entouré d'enrochements massifs destinés à assurer la stabilité de l'ensemble. D'autres utilisent des couches successives de sols compactés soigneusement sélectionnés. Ces ouvrages peuvent atteindre des dimensions gigantesques tout en utilisant principalement des matériaux disponibles localement, ce qui réduit parfois considérablement les coûts de construction.
Le barrage en terre
Le barrage en terre constitue l'un des types de barrages les plus anciens et les plus répandus dans le monde. Il existe principalement deux grandes catégories : les barrages en terre homogène et les barrages à profil zoné. Les barrages homogènes sont généralement constitués d'un vaste massif de terre compactée présentant une composition relativement uniforme sur toute la structure. Les barrages à profil zoné, quant à eux, utilisent différentes catégories de matériaux réparties en couches ou en zones selon leur fonction particulière, notamment pour l'étanchéité, le drainage ou la stabilité.
Les barrages en terre homogène, comme les levées et les digues, figurent parmi les structures hydrauliques les plus fréquemment employées pour retenir l'eau. Leur construction repose principalement sur l'utilisation de matériaux naturels disponibles à proximité du chantier, comme la terre argileuse, le sable, les pierres et les roches. Cette utilisation de matériaux locaux permet souvent de réduire considérablement les coûts de transport et de construction. Selon les ressources géologiques disponibles dans la région, la composition et l'apparence de ces barrages peuvent varier fortement d'un site à l'autre.
La construction d'un barrage en terre ne consiste pas simplement à accumuler des matériaux en vrac. Les différentes couches de terre sont soigneusement déposées, humidifiées puis compactées à l'aide de puissants engins mécaniques équipés de rouleaux vibrants. Cette opération permet d'augmenter la densité du matériau et d'améliorer sa résistance ainsi que son étanchéité. Les progrès réalisés dans les machines de terrassement au cours du XXe siècle ont rendu ce type de barrage particulièrement économique et efficace comparativement aux grands barrages en béton.
En raison de la relative stabilité des sols compactés lorsque leurs pentes demeurent douces, la base d'un barrage en terre doit être beaucoup plus large que sa hauteur. Dans plusieurs cas, la largeur de la base représente quatre à sept fois la hauteur totale de l'ouvrage. Cette forme massive contribue à assurer la stabilité du barrage face à la poussée de l'eau. Le phénomène de suintement, c'est-à-dire l'infiltration progressive de l'eau à travers le barrage ou ses fondations, dépend également de la distance que l'eau doit parcourir. Une base très large réduit donc les risques de fuite et améliore la sécurité globale de l'ouvrage.
Les barrages en terre sont particulièrement adaptés aux régions où les fondations rocheuses sont insuffisamment solides pour supporter un barrage en béton, ou encore lorsque le terrain est recouvert d'épaisses couches d'alluvions difficiles et coûteuses à excaver. Ce type d'ouvrage présente également une bonne résistance aux mouvements du terrain et à certains séismes grâce à sa souplesse relative. L'un des exemples les plus célèbres est le Haut barrage d'Assouan construit sur le Nil en Égypte. Cet immense barrage mesure environ 111 mètres de hauteur et près de 3 600 mètres de longueur. Il est constitué en grande partie de sable et de matériaux de remblai compactés.
Le barrage en enrochements
Le barrage en enrochements est un autre type important de barrage en matériaux meubles. Il est principalement constitué de grandes quantités de roches et de pierres empilées et compactées afin de former une structure stable capable de retenir d'importants volumes d'eau. Selon les conceptions adoptées, le barrage peut être entièrement composé d'un matériau relativement imperméable, comme certaines argiles compactées, ou comporter un noyau central étanche entouré de matériaux plus perméables.
Dans plusieurs barrages en enrochements modernes, le noyau étanche est placé au centre de l'ouvrage et peut être vertical ou incliné. Ce noyau sert à empêcher l'eau du réservoir de s'infiltrer à travers la structure. De part et d'autre de ce noyau sont disposés des massifs de soutien composés de matériaux plus perméables comme le gravier sableux ou les roches concassées. Ces parties externes assurent la stabilité mécanique du barrage tout en facilitant le drainage des infiltrations éventuelles.
Sur la face du barrage directement en contact avec l'eau du réservoir, les ingénieurs installent parfois un revêtement d'étanchéité appelé masque. Ce revêtement peut être constitué de béton, de membranes synthétiques ou encore de produits bitumineux souples capables de s'adapter aux mouvements et aux tassements progressifs du barrage. Cette flexibilité constitue un avantage important des barrages en enrochements, car les matériaux meubles peuvent légèrement se déplacer avec le temps sans compromettre nécessairement la sécurité de l'ouvrage.
Le noyau étanche d'un barrage en enrochements peut également être prolongé profondément dans les fondations rocheuses afin de limiter les infiltrations sous le barrage lui-même. Cette technique permet de réduire les risques d'érosion interne et d'améliorer l'étanchéité générale du système. Les barrages en enrochements sont particulièrement appréciés dans les régions montagneuses où les matériaux rocheux sont abondants et où les conditions géologiques rendent difficile la construction de grands barrages en béton.
L'un des exemples les plus impressionnants de barrage en enrochements est le Barrage de Tarbela construit sur l'Indus au Pakistan. Achevé en 1976, cet immense ouvrage mesure environ 148 mètres de hauteur et plus de 5 000 mètres de longueur. Sa construction nécessita environ 1 206 millions de mètres cubes de terre et de remblais, soit un volume colossal représentant environ trois fois celui utilisé pour le barrage d'Assouan. Le projet complet, incluant les installations hydroélectriques associées, coûta plus de 14 milliards de dollars et constitue l'un des plus grands projets hydrauliques du monde.
Les barrages en France
En France, les barrages jouent un rôle important dans la production d'électricité et dans la gestion des ressources hydriques. Le pays compte environ 150 grands barrages capables de fournir une puissance totale d'environ 23 000 mégawatts. Cette production représente approximativement 15 % de l'électricité produite en France, le reste provenant principalement des centrales nucléaires. Les installations hydroélectriques françaises sont réparties principalement dans les régions montagneuses, notamment dans les Alpes, les Pyrénées et le Massif central.
Le plus long barrage français est celui du Barrage du Mont-Cenis situé en Savoie. Ce barrage en enrochements atteint environ 1 400 mètres de longueur. À titre de comparaison, le plus long barrage du monde, situé à Kiev, mesure environ 54 kilomètres. Le plus haut barrage français est le Barrage de Tignes, dont la hauteur atteint environ 180 mètres. Quant à la plus vaste retenue d'eau française, elle correspond au Barrage de Petit-Saut, en Guyane française, dont le réservoir couvre environ 310 kilomètres carrés.
La centrale hydroélectrique la plus puissante de France est celle de Grand'Maison située dans les Alpes françaises. Avec une capacité d'environ 1 800 mégawatts, elle constitue l'une des installations hydroélectriques les plus importantes d'Europe occidentale. Aujourd'hui, la plupart des grands sites hydrauliques exploitables du territoire français ont déjà été aménagés. Les nouveaux projets concernent donc principalement des petites centrales au fil de l'eau, produisant de l'électricité sans nécessiter de très grands réservoirs.
À l'échelle mondiale, l'énergie hydraulique représente environ 18 % de la production totale d'électricité. En tant que source d'énergie renouvelable, elle occupe une place stratégique dans plusieurs pays cherchant à réduire leur dépendance aux combustibles fossiles. Électricité de France, plus connue sous le nom d'EDF, possède une expertise reconnue internationalement dans le domaine des barrages et de l'hydroélectricité. L'entreprise participe à la construction ou à l'exploitation d'ouvrages hydrauliques dans plusieurs régions du monde, notamment en Chine, au Laos, au Viêt Nam, en Thaïlande, en Indonésie, en Guinée, au Mali, au Gabon, en Côte d'Ivoire, au Maroc et en Argentine.