Introduction `a HEC-RAS : rupture de barrage

Ondes de crue et de rupture de barrage - TD 5
TD5
Introduction `
a HEC-RAS : rupture de barrage
Figure 1 – The Teton Dam, 44 miles northeast of Idaho Falls in southeastern Idaho, failed abruptly on June
5, 1976. It released nearly 300,000 acre feet of water, then flooded farmland and towns downstream with
the eventual loss of 14 lives, directly or indirectly, and with a cost estimated to be nearly 1 billion dollars.
(http ://www.geol.ucsb.edu)
Contexte
Que ce soit pour des retenues naturelles ou artificielles, il est important d’envisager l’effet de leur rupture
accidentelle. En effet, l’important volume d’eau lib´er´e en peu de temps provoque la propagation d’une onde de
crue sous la forme d’un choc. La connaissance du temps d’arriv´ee de l’onde `a diff´erents points en aval de la
retenue permet une meilleure gestion des dispositifs d’alerte. La cote des plus hautes eaux possibles est aussi
une donn´ee capitale dans le cas o`
u des sites sensibles seraient pr´esents (centrale nucl´eaire, stockage de produits
chimiques, etc.).
La rupture de barrage est un probl`eme connu depuis longtemps et dont on dispose de solutions analytiques
dans les cas id´ealis´es les plus simples (canal infiniment large, pente nulle, etc.). Dans le cadre de cet exercice,
vous allons voir comment mod´eliser un tel ph´enom`ene de mani`ere simplifi´e avec le logiciel HEC-RAS et les
limites des r´esultats obtenus.
HEC-RAS
HEC-RAS (Hydrologic Engineering Centers River Analysis System) est un logiciel de mod´elisation hydrau´
lique d´evelopp´e par le corps des ing´enieurs de l’arm´ee des Etats-Unis.
Il est largement utilis´e en ing´enierie
pour simuler les ´ecoulements en rivi`ere. HEC-RAS est bas´e sur un mod`ele unidimensionnel, c’est-`a-dire qui ne
consid`ere que la composante de la vitesse dans l’axe de l’´ecoulement.
En r´egime permanent (steady flow ) uniforme ou graduellement vari´e, le mod`ele est bas´e sur l’´equation de la
conservation de l’´energie :
H =z+h+
u2
2g
(1)
Les pertes de charge prises en compte comprennent les pertes par frottement ainsi que les pertes par contraction/expansion de la section. En r´egime permanent rapidement vari´e, le mod`ele est bas´e sur l’´equation de la
conservation de la quantit´e de mouvement (pour des pentes inf´erieures `a 10%).
En r´egime non-permanent (unsteady flow ), le mod`ele est bas´e sur les ´equations de Saint-Venant (conservation
de la masse et conservation de la quantit´e de mouvement) dans leurs formes conservatives. Ces derni`eres sont
r´esolues avec un sch´ema implicite aux diff´erences finies.
∂h ∂uh
+
=0
∂t
∂x
∂uh
∂ 2 g 2
+
hu + h = gh(S0 − Sf )
∂t
∂x
2
1
(2)
Ondes de crue et de rupture de barrage - TD 5
Travail pr´
eliminaire
Nous allons tout d’abord pr´eparer notre espace de travail.
1. T´el´echarger et installer HEC-RAS depuis la page internet http ://www.hec.usace.army.mil/ si n´ecessaire
2. Cr´eer un dossier de travail HECRAS
3. T´el´echarger le fichier texte contenant les profils en travers crosssection 201x50 0.5-0.1%.csv depuis la page
du LHE
Ce fichier contient les coordonn´ees de 201 profils espac´es de 50 m l’un de l’autre
4. Ouvrir HEC-RAS et cr´eer un nouveau projet TD5.prj (File B New Project)
5. V´erifier que le syst`eme d’unit´e est le Syst`eme International (Option B Unit System (US Customary/SI))
Construire la g´
eom´
etrie
Il convient ensuite de d´efinir la g´eom´etrie du cours d’eau.
1. Ouvrir la fenˆetre d’´edition de la g´eom´etrie (Edit B Geometric Data)
2. Importer les profils en travers
(File B Import Geometry Data B CSV Format B s´
electionner le fichier CSV d’int´
erˆ
et B X,Y,Z Format B OK B SI (metric) units
B Finished - Import Data)
– V´erifier que la direction de l’´ecoulement (indiqu´ee par la grande fl`eche dans la fenˆetre Geometric Data)
est bien de l’amont vers l’aval (cf. la note ci-dessous)
Note : RS signifie River Station, c’est l’identifiant de chaque profil en travers. Il est usuel de num´eroter
les profils par la distance qui les s´eparent d’un point de r´ef´erence situ´e `
a l’aval du tron¸con d’int´erˆet. C’est
la convention utilis´ee dans HEC-RAS.
3. Donner un coefficient de friction de n = 0.03 au chenal principal, ce qui correspond `a une rivi`ere `a galet
rectiligne de section uniforme
(Tables B Manning’s n or k values (Horizontally varied) B s´
electionner la colonne n 2 B Set Values)
Les valeurs typiques sont donn´ees p. 15 du cours (rappel : n = 1/K)
4. Donner la distance qui s´epare chaque profil cons´ecutif pour le chenal principal
(Tables B Reach Lengths B s´
electionner la colonne Channel B Set Values)
5. Sauvegarder le fichier g´eom´etrie TD5geom (File B Save Geometry Data) et fermer la fenˆetre
6. Visualiser les profils en travers et le profil en long `a l’aide des diff´erents outils propos´es dans la fenˆetre
principale (View B Cross-Sections/Water Surface Profiles/X-Y-Z Perspective Plots)
R´
egime permanent
Nous allons maintenant calculer la courbe de remous pour diff´erents d´ebits en r´egime permanent.
1. Ouvrir la fenˆetre d’´edition des conditions initiales et limites en r´egime permanent (Edit B Steady Flow Data)
2. Indiquer qu’il y a 3 d´ebits `
a mod´eliser (Enter/Edit Number of Profiles (25000 max) B 3 B Apply Data) et entrer les
valeurs de 5, 15 et 20 m3 /s dans les champs PF 1, PF 2 et PF 3
3. D´efinir la hauteur normale comme condition limite aval en consid´erant une pente de 0.001
(Reach Boundary Conditions B Downstream B Normal Depth)
Note : en r´egime supercritique (Fr > 1) une condition limite amont est n´ecessaire, alors qu’en r´egime
subcritique (Fr < 1) c’est une condition limite aval qui est demand´ee.
4. Sauvegarder les donn´ees steady (File B Save Flow Data) et fermer la fenˆetre
5. Ouvrir la fenˆetre de la param´etrisation du mod`ele en r´egime permanent (Run B Steady Flow Analysis)
6. Faire un nouveau Plan steadywithoutdam (File B New Plan)
7. V´erifier que le r´egime s´electionn´e est bien subcritique
8. Sauvegarder le Plan (File B Save Plan) et lancer la simulation (B Compute)
9. Contrˆ
oler que le r´egime associ´e au r´esultat de la mod´elisation est bien subcritique (View B General Profile Plot
B Standard Plots B Froud)
2
Ondes de crue et de rupture de barrage - TD 5
10. Visualiser le r´esultat avec les mˆemes outils que pr´ec´edemment
Remarquer que la rivi`ere d´eborde pour 20 m3 /s et que 15 m3 /s correspond `a une situation de hautes eaux
sur la partie aval du tron¸con.
Mod´
eliser une rupture de barrage
Nous allons `
a pr´esent mod´eliser la rupture d’une retenue sur la partie amont du tron¸con.
Impl´
ementer le barrage dans la g´
eom´
etrie
1. Ouvrir la fenˆetre de la g´eom´etrie
2. Ouvrir la fenˆetre Inline Structure Data (icˆone `a gauche)
3. Cr´eer une nouvelle Inline Structure au km 9025 (Option B Add An Inline Structure)
4. Entrer une description (p. ex. dam)
5. Entrer un Pilot Flow de 1 m3 /s (d´ebit minimal que le barrage laisse transiter)
6. Entrer les dimensions du barrage (icˆ
one Weir/Embarkment `a gauche) comme sur la Figure 2
7. Sauvegarder la g´eom´etrie
Figure 2 – Dimensions de la retenue.
Construire l’hydrogramme de crue
1. Ouvrir la fenˆetre d’´edition des conditions initiales et limites en r´egime non-permanent (B Rules (unsteady
data)
2. Entrer les conditions limites :
Aval : hauteur normale (RS 0 B Normal Depth) avec une pente de frottement de 0.001 (la pente de frottement
jf peut ˆetre approxim´ee ici par la pente du lit i)
Amont : d´ebit constant 15 m3 /s (RS 10000 B Flow Hydrograph B Data time interval : B 10 Minutes) pendant 10 min
(ne remplir que les champs correspondants aux dur´ees d’interˆet), ce qui correspond `a une situation de
hautes eaux
3. Entrer comme condition initiale un d´ebit de 15 m3 /s
4. Sauvegarder les donn´ees unsteady (File B Save Unsteady Flow Data)
D´
efinir la br`
eche
1. Ouvrir la fenˆetre Dam (Inline Structure) Breach Data (B Breach (plan data))
2. Entrer les caract´eristiques de la br`eche comme sur la Figure 3
3. Sauvegarder la g´eom´etrie
3
Ondes de crue et de rupture de barrage - TD 5
Figure 3 – Dimensions de la br`eche.
Lancer le mod`
ele
1. Ouvrir la fenˆetre de la param´etrisation du mod`ele en r´egime non-permanent (Run B Unsteady Flow Analysis)
2. Faire un nouveau Plan dambreak
3. Cocher tous les Programs to Run
4. Entrer une fenˆetre de temps de 5 min (Starting Time 0000 et Ending Time 0005)
Attention, la date entr´ee dans la d´efinition de la br`eche doit ˆetre la mˆeme que celle entr´ee ici
5. Entrer un pas de temps de 10 sec
6. Stocker les r´esultats toutes les 1 min
7. Cocher l’option Mixed Flow Regime (le mod`ele accepte ainsi des r´egimes subcritiques et supercritiques)
8. Sauvegarder le Plan
9. Lancer le calcul (B Compute) et visualiser les r´esultats (essayer de visualiser la propagation de l’onde de
crue de mani`ere dynamique)
Le lit majeur est-il inond´e ?
La condition de Courant est-elle respect´ee (4T <
4x
velocity ) ?
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Ondes de crue et de rupture de barrage - TD 5
Figure 4 – Param`etres du mod`ele.
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