Conception d’un Système de Drainage Urbain
Comprendre la Conception d'un Système de Drainage Urbain
La conception d'un système de drainage urbain vise à collecter et évacuer efficacement les eaux de ruissellement pluvial pour prévenir les inondations, protéger les infrastructures et l'environnement. Cela implique l'estimation des débits de pointe générés par les précipitations sur des bassins versants urbanisés, en tenant compte de l'imperméabilisation des surfaces. Une fois le débit de projet déterminé (souvent par la méthode rationnelle pour de petits bassins), les ouvrages de collecte (caniveaux, regards) et de transport (conduites) sont dimensionnés pour assurer une capacité d'évacuation suffisante, typiquement en utilisant des formules hydrauliques comme celle de Manning-Strickler pour les écoulements à surface libre ou en charge.
Données de l'étude
Zone | Type de Surface | Superficie (\(A_i\)) en hectares (\(\text{ha}\)) | Coefficient de Ruissellement (\(C_i\)) |
---|---|---|---|
Z1 | Toitures et Terrasses | \(1.2 \, \text{ha}\) | \(0.90\) |
Z2 | Voiries et Parkings (enrobé) | \(0.8 \, \text{ha}\) | \(0.85\) |
Z3 | Chemins piétons (pavés) | \(0.3 \, \text{ha}\) | \(0.75\) |
Z4 | Espaces verts (pelouses) | \(2.2 \, \text{ha}\) | \(0.20\) |
- Intensité pluviométrique de projet (\(I\)) pour une période de retour de 10 ans : \(150 \, \text{mm/heure}\)
- Conduite d'évacuation principale : circulaire, en béton.
- Coefficient de Manning (\(n\)) pour le béton : \(0.013 \, \text{s/m}^{1/3}\)
- Pente de la conduite (\(S_0\)) : \(0.4\% = 0.004 \, \text{m/m}\)
- Diamètre intérieur de la conduite proposée (\(D\)) : \(600 \, \text{mm}\)
Schéma : Lotissement et Réseau de Drainage
Illustration d'un lotissement avec différentes zones contribuant au ruissellement vers une conduite principale.
Questions à traiter
- Quels sont les objectifs principaux d'un système de drainage urbain ?
- Calculer la superficie totale (\(A_{\text{tot}}\)) du lotissement en hectares.
- Calculer le coefficient de ruissellement moyen pondéré (\(C_m\)) pour l'ensemble du lotissement.
- Calculer le débit de pointe (\(Q_p\)) généré par le lotissement pour la pluie de projet, en utilisant la méthode rationnelle. Exprimer le résultat en \(\text{m}^3\text{/s}\).
- Pour la conduite d'évacuation proposée (diamètre \(D = 600 \, \text{mm}\)), calculer son rayon hydraulique (\(R_h\)) lorsqu'elle s'écoule à pleine section.
- Calculer la vitesse d'écoulement (\(V\)) dans la conduite à pleine section en utilisant la formule de Manning.
- Calculer le débit capable (\(Q_c\)) de la conduite à pleine section.
- Comparer le débit capable (\(Q_c\)) au débit de pointe (\(Q_p\)). La conduite proposée est-elle correctement dimensionnée ? Quelles seraient les conséquences d'un sous-dimensionnement ?
Correction : Conception d’un Système de Drainage Urbain
Question 1 : Objectifs principaux d'un système de drainage urbain
Objectifs :
Les systèmes de drainage urbain sont conçus pour atteindre plusieurs objectifs essentiels :
Question 2 : Superficie totale (\(A_{\text{tot}}\)) du lotissement
Principe :
La superficie totale du lotissement est la somme des superficies de toutes les zones qui le composent.
Données spécifiques :
- \(A_1 (\text{Toitures}) = 1.2 \, \text{ha}\)
- \(A_2 (\text{Voiries}) = 0.8 \, \text{ha}\)
- \(A_3 (\text{Chemins}) = 0.3 \, \text{ha}\)
- \(A_4 (\text{Espaces verts}) = 2.2 \, \text{ha}\)
Calcul :
Question 3 : Coefficient de ruissellement moyen pondéré (\(C_m\))
Principe :
Le \(C_m\) est la moyenne des coefficients de ruissellement individuels (\(C_i\)) pondérée par les superficies respectives (\(A_i\)).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques et calculs des produits \(C_i A_i\):
- Z1: \(C_1 A_1 = 0.90 \times 1.2 \, \text{ha} = 1.080 \, \text{ha}\)
- Z2: \(C_2 A_2 = 0.85 \times 0.8 \, \text{ha} = 0.680 \, \text{ha}\)
- Z3: \(C_3 A_3 = 0.75 \times 0.3 \, \text{ha} = 0.225 \, \text{ha}\)
- Z4: \(C_4 A_4 = 0.20 \times 2.2 \, \text{ha} = 0.440 \, \text{ha}\)
Somme des produits :
Superficie totale \(A_{\text{tot}} = 4.5 \, \text{ha}\)
Calcul de \(C_m\):
Arrondi à 3 décimales : \(C_m \approx 0.539\).
Question 4 : Débit de pointe (\(Q_p\))
Principe :
On utilise la méthode rationnelle.
Formule(s) utilisée(s) :
Avec \(I\) en \(\text{m/s}\) et \(A_{\text{tot}}\) en \(\text{m}^2\), ou \(Q_p (\text{m}^3\text{/s}) = \frac{C_m \cdot I (\text{mm/h}) \cdot A_{\text{tot}} (\text{ha})}{360}\).
Données spécifiques :
- \(C_m \approx 0.539\)
- \(I = 150 \, \text{mm/heure}\)
- \(A_{\text{tot}} = 4.5 \, \text{ha}\)
Calcul :
Quiz Intermédiaire 1 : Si l'intensité pluviométrique \(I\) était de \(100 \, \text{mm/h}\) au lieu de \(150 \, \text{mm/h}\), le débit de pointe \(Q_p\) serait :
Question 5 : Rayon hydraulique (\(R_h\)) de la conduite à pleine section
Principe :
Pour une conduite circulaire de diamètre \(D\) s'écoulant à pleine section, l'aire mouillée \(A_m\) est l'aire du cercle, et le périmètre mouillé \(P_m\) est la circonférence du cercle.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- Diamètre \(D = 600 \, \text{mm} = 0.600 \, \text{m}\)
Calcul :
Question 6 : Vitesse d'écoulement (\(V\)) dans la conduite à pleine section
Principe :
On utilise la formule de Manning (avec \(n\)) ou Manning-Strickler (avec \(K_s = 1/n\)).
Formule(s) utilisée(s) (Manning) :
Données spécifiques :
- \(n = 0.013 \, \text{s/m}^{1/3}\)
- \(R_h = 0.150 \, \text{m}\)
- \(S_0 = 0.004 \, \text{m/m}\)
Calcul :
Question 7 : Débit capable (\(Q_c\)) de la conduite à pleine section
Principe :
Le débit capable est le produit de l'aire de la section d'écoulement par la vitesse.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(D = 0.600 \, \text{m}\)
- \(V \approx 1.381 \, \text{m/s}\)
Calcul :
Aire mouillée (pleine section) :
Débit capable :
Question 8 : Comparaison \(Q_c\) vs \(Q_p\) et discussion
Principe :
On compare le débit capable de la conduite (\(Q_c\)) au débit de pointe à évacuer (\(Q_p\)). Pour un dimensionnement adéquat, il faut que \(Q_c \ge Q_p\).
Données spécifiques :
- Débit de pointe \(Q_p \approx 1.011 \, \text{m}^3\text{/s}\) (de Q4)
- Débit capable de la conduite \(Q_c \approx 0.390 \, \text{m}^3\text{/s}\) (de Q7)
Comparaison et Discussion :
On constate que \(Q_c < Q_p\) (\(0.390 < 1.011\)).
La conduite proposée, avec un diamètre de \(600 \, \text{mm}\), n'est pas correctement dimensionnée car sa capacité d'évacuation à pleine section (\(0.390 \, \text{m}^3\text{/s}\)) est nettement inférieure au débit de pointe généré par le lotissement (\(1.011 \, \text{m}^3\text{/s}\)).
Conséquences d'un sous-dimensionnement :
Solutions : Il faudrait augmenter le diamètre de la conduite, augmenter sa pente (si possible), ou envisager des solutions de gestion à la source (rétention, infiltration) pour réduire le débit de pointe à l'entrée de la conduite principale.
Quiz Intermédiaire 2 : Pour augmenter le débit capable d'une conduite circulaire à pleine section, sans changer sa pente ni son matériau, il faut :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
9. La méthode rationnelle est plus adaptée pour calculer le débit de pointe sur :
10. Un coefficient de Manning (\(n\)) plus élevé pour une conduite signifie :
11. Si le débit de pointe (\(Q_p\)) est supérieur au débit capable (\(Q_c\)) d'une conduite pluviale, une conséquence probable est :
Glossaire
- Drainage Urbain
- Ensemble des techniques et infrastructures visant à collecter, transporter, et éventuellement traiter les eaux de ruissellement en milieu urbain.
- Bassin Versant
- Surface géographique qui collecte les eaux de pluie et les dirige vers un exutoire commun.
- Coefficient de Ruissellement (\(C\))
- Rapport adimensionnel entre la hauteur d'eau qui ruisselle et la hauteur d'eau précipitée sur une surface donnée.
- Coefficient de Ruissellement Moyen Pondéré (\(C_m\))
- Coefficient de ruissellement représentatif d'un bassin versant hétérogène.
- Intensité Pluviométrique (\(I\))
- Hauteur de pluie tombée par unité de temps (ex: \(\text{mm/h}\)).
- Méthode Rationnelle
- Formule (\(Q_p = C \cdot I \cdot A\)) pour estimer le débit de pointe du ruissellement pour de petits bassins versants.
- Débit de Pointe (\(Q_p\))
- Débit maximal instantané lors d'un événement pluvieux.
- Rayon Hydraulique (\(R_h\))
- Rapport de l'aire mouillée au périmètre mouillé (\(R_h = A_m/P_m\)). Pour une conduite circulaire pleine, \(R_h = D/4\).
- Formule de Manning (ou Manning-Strickler)
- Équation empirique pour calculer la vitesse moyenne d'écoulement dans un canal ouvert ou une conduite partiellement remplie.
- Coefficient de Manning (\(n\))
- Coefficient de rugosité des parois d'un canal ou d'une conduite, utilisé dans la formule de Manning. Inverse du coefficient de Strickler (\(K_s\)).
- Débit Capable (\(Q_c\))
- Débit maximal qu'un canal ou une conduite peut évacuer pour une géométrie, une pente et une rugosité données, à une certaine profondeur d'écoulement (souvent à pleine section pour les conduites).
- Mise en Charge
- État d'un réseau de drainage où les conduites fonctionnent à pleine section et sous pression, car le débit entrant dépasse la capacité d'écoulement à surface libre.
D’autres exercices de Vrd:
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