Un barrage est un ouvrage d'art construit en travers d'un cours d'eau et destiné à réguler le débit du cours d'eau et/ou à en stocker l'eau pour différents usages tels que : contrôle des crues, irrigation, industrie, hydroélectricité, pisciculture, réserve d'eau potable, etc.
Par extension, on appelle barrage tout obstacle placé sur un axe de communication et destiné à permettre un contrôle sur les personnes et/ou les biens qui circulent (barrage routier, barrage militaire). Toutefois, il n'existe pas de définition uniforme du terme « barrage ». Le seul recensement existant est celui des « grands barrages » régulièrement tenu à jour par la Commission internationale des grands barrages (CIGB).
Quand le barrage est submersible, on parle plutôt de chaussée, seuil ou de digue ; ce dernier terme est également préféré à celui de barrage lorsqu'il s'agit de canaliser un flot et non de créer une étendue d'eau stagnante.
Un barrage fluvial permet par exemple la régulation du débit d'une rivière ou d'un fleuve (favorisant ainsi le trafic fluvial), l'irrigation des cultures, une prévention relative des catastrophes naturelles (crues, inondations), par la création de lacs artificiels ou de réservoirs. Un barrage autorise aussi, sous certaines conditions, la production de force motrice (moulin à eau) et d'électricité - on parle alors de barrage hydroélectrique -, à un coût économique acceptable, le coût environnemental étant plus discuté ; voir à ce sujet la fragmentation écopaysagère, phénomènes d'envasement à l'amont du barrage, dégradation de la qualité de l'eau.
Toutefois, plus un projet est ambitieux, plus ses conséquences sont lourdes : en noyant des vallées entières, la construction d'un barrage peut provoquer à la fois des bouleversements humains en forçant des populations entières à se déplacer, et avoir un impact écologique non négligeable en changeant fondamentalement l'écosystème local. Dans la plupart des cas, la loi ou le droit coutumier imposent un débit réservé (débit minimal réservé aux usagers de l'aval et pour le maintien de l'écosystème aquatique et des espèces en dépendant).
Histoire
Le barrage romain de Cornalvo en
Espagne est toujours utilisé après deux millénaires.
Chapelets d'étangs créés par des barrages sur petits cours d'eau, du Moyen Âge au xviiie siècle (France, d'après la carte de Cassini)
Les barrages existent probablement depuis la préhistoire (réserve d'eau potable, d'irrigation, viviers, piscicultures).
D'après N. Schnitter-Reinhardt, le plus ancien barrage connu serait un barrage poids construit près de Jawa, en Jordanie, construit vers la fin du 4e millénaire avant J.-C.1 Hérodote cite un barrage construit par le pharaon Ménès, fondateur de la première dynastie, à Kosheish, pour alimenter la ville de Memphis. Un barrage d'une longueur de 115 mètres fut construit dans la vallée de Garawi en Égypte vers 3000 av. J.-C.
La première rupture de barrage connue est celui de Sadd El Kaffara, sur le Wadi Garawi,30 km au sud du Caire. Elle se serait produite entre 2650 et 2465 avant J.-C. C'est probablement la rupture de ce barrage qui en a arrêté la construction pendant un millénaire2.
En 560 ap. J.-C., l'historien byzantin Procope de Césarée faisait mention d'un barrage-voûte en amont en maçonnerie (barrage de Daras).
Les Romains ont construit des barrages : par exemple, deux barrages en Espagne, dans la région de Mérida, les barrages de Proserpina et de Cornalvo, d'une hauteur de 12 à19 m, construits vers 25 avant J.-C., ou encore, au Portugal, le barrage romain de Belas.
Mais c'est au Moyen Âge qu'ils se sont fortement développés en Europe pour alimenter les moulins à eau. Il semble qu'ils aient parfois pu s'appuyer sur des sédiments accumulés en amont d'embâcles naturels, ou sur les lieux de barrages de castors dont la toponymie conserve des traces (par exemple en France avec le mot bief et bièvre (ancien nom de castor) qui pourraient être liés, ou avec des noms de communes tels que Beuvry (un des anciens noms de castor) ou Labeuvrière (la « castorière »). Les cartes anciennes, deCassini par exemple, portent témoignage des nombreux barrages de petites rivières faits par les paysans ou les moines locaux, pour conserver l'eau et y élever du poisson ou pour le rouissage du lin ou du chanvre.
En conservant des volumes d'eau et une hauteur d'eau plus importante en saison sèche, ces barrages ont également pu tamponner les fluctuations estivales des nappes (car toutes choses égales par ailleurs, c'est la hauteur d'eau qui contrôle la vitesse de percolation, cf. Loi de Darcy).
Au xvie siècle, les Espagnols réalisèrent de grands barrages en maçonnerie. Le plus remarquable fut celui de Tibi, à 18 km au nord d'Alicante construit en 1594. Haut de 45 m, il est encore utilisé.
Le premier barrage-voûte moderne fut construit par François Zola, père d'Émile Zola, entre 1843 et 1859 près d'Aix-en-Provence.
Quelques exemples de grands barrages dans le monde
Barrage sur la Toutle River (comté de Cowlitz, État de Washington (États-Unis), édifié en 1986-1989 par le génie militaire américain non pas pour retenir de l'eau mais pour stocker une partie des sédiments provenant de l'éruption majeure du volcan de
Mont Saint Helens en 1980.
Techniques de construction
Généralités
Un barrage est soumis à plusieurs forces. Les plus significatives sont :
Pour résister à ces forces, deux stratégies sont utilisées :
- construire un ouvrage suffisamment massif pour résister par son simple poids, qu'il soit rigide (barrage-poids en béton) ou souple (barrage en remblai) ;
- construire un barrage capable de reporter ces efforts vers des rives ou une fondation rocheuse résistantes (barrage-voûte, barrage à voûtes multiples…).
Éléments de calcul
Un barrage est soumis à une force horizontale liée à la pression exercée par l'eau sur sa surface immergée. La pression hydrostatique 
en chaque point est fonction de la hauteur d'eau au-dessus de ce point.
où 
est la masse volumique de l'eau, 1 000 kg/m³ ; 
est la pesanteur, environ 9,81 m/s² ; 
est la hauteur d'eau au-dessus du point considéré.
La force 
résultante est l'intégrale des pressions hydrostatiques s'exerçant sur la surface immergée du barrage.
Cette formule ne s'intègre pas « à la main » pour les barrages à géométrie compliquée. En revanche, une expression analytique peut être obtenue pour un élément de barrage poids (un « plot », de largeur 
, et de hauteur immergée constante 
) :
d'où :
On voit dans cette formule que la poussée exercée par l'eau sur un barrage augmente avec le carré de la hauteur de la retenue (ce qui est vrai pour tout type de barrage). Elle ne dépend bien sûr pas du volume d'eau stocké dans la retenue. Le point d'application de cette force se situe au barycentre du diagramme des pressions, soit généralement au tiers de la hauteur de retenue.
Les calculs ci-dessus ne concernent que les barrages en matériaux rigides (béton, maçonnerie…), quel que soit leur type (poids, voûte, contreforts…). En revanche l'intégration par plots n'intéresse que les barrages de type poids ou contreforts, qui sont régis par la statique du solide. Pour les voûtes, les efforts étant reportés latéralement par des mécanismes de flexion et de compression, un calcul par plots ne prenant en compte que les forces verticales n'est pas suffisant et il est nécessaire de recourir à la résistance des matériaux(Déformation élastique) et souvent à des méthodes numériques avancées (méthode des éléments finis linéaires voire non-linéaires).
En revanche, en ce qui concerne les barrages en matériaux meubles (sol, terre, enrochements, remblais…), les calculs sont apparentés à des calculs de stabilité de pente des talus qui doivent prendre en compte l'état saturé ou non de ces remblais.
Études hydrauliques
En hydraulique, le modèle réduit est très utilisé pour les études de mécanique des fluides des ouvrages tels que ports, digues, barrages, etc. On utilise dans ces cas-là la similitude du nombre de Froude. Des modèles numériques bi- ou tridimensionnels sont également souvent utilisés.
Types de barrages
Barrage poids
Un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s'apparente dans la plupart des cas à un triangle rectangle. On compte deux grandes familles de barrages-poids, les barrages poids-béton, et les barrages en remblais (ces derniers n'étant d'ailleurs généralement pas qualifiés de barrage-poids, mais de barrage en remblais).
Même si les barrages voûtes ou à contrefort nécessitent moins de matériaux que les barrages poids, ces derniers sont encore très utilisés de nos jours. Le barrage-poids en béton est choisi lorsque le rocher du site (vallée, rives) est suffisamment résistant pour supporter un tel ouvrage (sinon, on recourt aux barrages en remblais), et lorsque les conditions pour construire un barrage voûte ne sont pas réunies (cf. ci-dessous). Le choix de la technique est donc d'abord géologique : une assez bonne fondation rocheuse est nécessaire. Mais il faut également disposer des matériaux de construction (granulats, ciment) à proximité.
La technologie des barrages-poids a évolué. Jusqu'au début du xxe siècle (1920-1930), les barrages-poids étaient construits en maçonnerie (il existe beaucoup de barrages de ce type en France, notamment pour l'alimentation en eau des voies navigables). Plus tard, c'est le béton conventionnel qui s'est imposé.
Depuis 1978, une nouvelle technique s'est substituée au béton conventionnel. Il s'agit du béton compacté au rouleau. C'est un béton (granulats, sable, ciment, eau) avec peu d'eau, qui a une consistance granulaire et pas liquide. Il se met en place comme un remblai, avec des engins de terrassement. Il présente le principal avantage d'être beaucoup moins cher que le béton classique.
Le barrage de la Grande-Dixence en Suisse, exploité par Alpiq, est le plus haut barrage-poids du monde (285 m).
Barrage en remblais
Long de 2 123 m, le barrage KA-5 est un ouvrage en enrochement de 47 m de hauteur qui ferme le bras Ouest de la
rivière Caniapiscau, dans le nord du Québec. Le barrage est formé d'un noyau de moraine, de plusieurs filtres en pierre tamisée, le tout étant recouvert d'une couche de blocs d'un mètre. Son volume est 5 620 000 m3
3.
On appelle barrages en remblais tous les barrages constitués d'un matériau meuble, qu'il soit très fin ou très grossier (enrochements).
Cette famille regroupe plusieurs catégories, très différentes. Les différences proviennent des types de matériaux utilisés, et de la méthode employée pour assurer l'étanchéité.
Le barrage homogène est un barrage en remblai construit avec un matériau suffisamment étanche (argile, limon). C'est la technique la plus ancienne de barrages en remblais.
Le barrage à noyau argileux comporte un noyau central en argile (qui assure l'étanchéité), épaulé par des recharges constituées de matériaux plus perméables. Cette technique possède au moins deux avantages sur le barrage homogène : (1) les matériaux de recharge sont plus résistants que les matériaux argileux, on peut donc construire des talus plus raides et (2) on contrôle mieux les écoulements qui percolent dans le corps du barrage.
Le barrage en à noyau en moraine est souvent utilisé dans les régions marquées par le retrait des glaciers. Ces ouvrages sont généralement constitués d'un noyau imperméable de moraine, récupérée à proximité du site, qui est protégé par des filtres en granulaire. La coupe type d'un barrage en enrochement comprend également une zone de transition située entre le filtre et la recharge4.
Quelques cousins des barrages à noyau : les barrages en remblai à paroi centrale étanche (paroi moulée en béton, paroi en béton bitumineux).
Plus récente, la famille des barrages à masque amont. L'étanchéité est assurée par un « masque », construit sur le parement amont du barrage. Ce masque peut être en béton armé (il se construit actuellement de nombreux et très grands barrages en enrochements à masque en béton armé), en béton bitumineux, ou constitué d'une membrane mince (les plus fréquentes : membrane PVC, membrane bitumineuse).
Le barrage de Mattmark en Suisse, celui de Šance en République tchèque sont de ce type. En France, le barrage de Serre-Ponçon (deuxième plus grande retenue d'Europe) est un barrage en remblai. Les barrages en enrochement sont les plus fréquents dans le parc de barrages d'Hydro-Québec. Ils représentent 72 % des 600 barrages exploités par l'entreprise en 20025.
Barrage voûte
La poussée de l’eau est reportée sur les flancs de la vallée au moyen d'un mur de béton arqué horizontalement, et parfois verticalement (on la qualifie alors de voûte à double courbure).
La technique de barrage-voûte nécessite une vallée plutôt étroite (même si des barrages-voûtes ont été parfois construits dans des vallées assez larges, poussant cette technologie à ses limites) et un bon rocher de fondation. Même lorsque ces conditions sont réunies, le barrage-voûte est aujourd'hui souvent concurrencé par les barrages-poids en béton ou le barrage en enrochements, dont la mise en œuvre peut être davantage mécanisée.
Par le peu de matière utilisée, c'est évidemment une technique très satisfaisante économiquement.
Cependant, la plus grande catastrophe de barrage vécue en France (Malpasset, au-dessus de Fréjus, le 2 décembre 1959) concernait un barrage-voûte en cours de mise en eau ; c'est la fondation (et non pas le barrage lui-même) qui n'a pas supporté les efforts appliqués par la retenue.
Avant cet accident (et, pour certains, aujourd'hui encore), la voûte est considérée comme le plus sûr des barrages. Malpasset est le seul cas connu de rupture d'un barrage-voûte.
On rencontre aussi des barrages avec plusieurs voûtes comme le barrage de l'Hongrin en Suisse.
Barrage contreforts ou multivoûtes
Les voûtes multiples et contreforts du barrage Daniel-Johnson.
Lorsque les appuis sont trop distants, ou lorsque le matériau local est tellement compact qu'une extraction s'avère presque impossible, la technique du barrage à contreforts permet de réaliser un barrage à grande économie de matériaux.
Le mur plat ou multivoûtes (Vezins, Migoëlou ou Bissorte) en béton s’appuie sur des contreforts en béton armé encastrés dans la fondation, qui reportent la poussée de l’eau sur les fondations inférieures et sur les rives.
Un des exemples le plus important de ce type est le barrage Daniel-Johnson au Québec, complété en 1968 dans le cadre du projet Manic-Outardes. Haut de 214 m et large de1 312 m, le barrage, conçu par André Coyne6, est soutenu par deux contreforts centraux écartés par 160 m à leur base. Les 13 voûtes latérales forment des demi-cylindres inclinés qui ont 76 m d'entraxe. Au-delà des considérations esthétiques, Hydro-Québec a choisi de construire un barrage en voûtes et contreforts pour des raisons économiques. Selon les études de conception, la construction de l'ouvrage a requis un peu plus de 2,2 millions de m³ de béton, soit cinq fois moins qu'un barrage poids7.
Barrages mobiles à aiguilles
Système Poirée : 1 = aiguille,2 = appui,3 = passerelle, 4 = fermette, 5 = pivot,6 = heurtoir, 7 = radier
Barrage à aiguilles de Givet - Dépose d'une aiguille
Le barrage mobile ou à niveau constant, a une hauteur limitée ; il est généralement édifié en aval du cours des rivières, de préférence à l’endroit où la pente est la plus faible. On utilise généralement ce type de barrage dans l’aménagement des estuaires et des deltas.
Selon le type de construction le barrage mobile peut être :
- Le barrage à aiguilles, crée par l’ingénieur Charles Antoine François Poirée en 1834, qui, s’inspirant des anciens pertuis, étendit le système sur toute la largeur du cours ; améliorant considérablement la navigation fluviale dès la moitié du xixe siècle. Le premier fut établi par Charles Antoine François Poirée sur l'Yonne, à Basseville, près de Clamecy (Nièvre). Le système Poirée consiste en un rideau de madriers mis verticalement côte à côte barrant le lit du fleuve. Ces madriers ou aiguilles d’une section de 8 à 10 cm et longues de 2 à 4 m, selon les barrages, viennent s’appuyer contre un butoir (ou heurtoir) du radier (sur le fond) et sur une passerellemétallique constituée de fermettes. Ces fermettes peuvent pivoter pour s’effacer sur le fond en cas de crue et laisser le libre passage aux eaux. Les fermettes sont reliées entre elles par une barre d’appui qui retient les aiguilles et une barre de réunion, de plus elles constituent la passerelle de manœuvre. Les aiguilles à leur sommet présentent une forme qui permet une saisie aisée. Néanmoins c’est un travail fastidieux, long et dangereux (il faut plusieurs heures et le travail de plusieurs hommes pour mener à bien la tâche). Bien que ce type de barrage soit remplacé par des techniques plus modernes et automatiques ; sur certains barrages encore existants, les aiguilles de bois sont remplacées par des aiguilles en aluminium remplies depolystyrène (pour la flottabilité en cas de chute dans la rivière), d’un poids bien moindre et plus facilement manœuvrable.
- À effacement sur le fond de la rivière (seuil (barrage)) pour permettre l’écoulement total ou en position intermédiaire pour créer un déversoir.
Barrages mobiles à battant
1 = battant, 2 = déversoir,3 = vanne à volet, 4 = vanne à secteur
- À battant à axe horizontal avec possibilité d’échapper en aérien lorsque le débit devient critique, ce qui évite de constituer un obstacle à l'écoulement des eaux en temps de crue. Ce type de barrage est généralement employé pour empêcher l'eau salée de remonter l'estuaire, comme à Volta Scirocco en Italie.
- La partie fixe correspond à une plate-forme (ou radier) étanche.
- Une grande vanne à secteur, qui en position de fermeture totale détermine un battant qui s’appuie sur la plate-forme, pendant qu'en position de soulèvement complet, il laisse l'écoulement complètement libre.
- Une vanne à volet, montée sur la génératrice supérieure de la vanne à secteur, qui permet de régler l’écoulement dans le déversoiret le niveau d’eau désiré en amont du barrage. L'écoulement de l'eau peut se produire par le dessous du battant lorsque la vanne à secteur inférieure est soulevée (ce qui permet aussi de nettoyer la surface de la plate-forme), ou bien par le dessus en déversoir, lorsque la vanne supérieure à volet est abaissée.
Vanne par gravité : A = lagune, B = mer, 1 = socle béton, 2 = battant de vanne, 3 = air injecté, 4 = eau expulsée
- Barrage mobile à gravité, d’un fonctionnement théoriquement très simple, la vanne à gravité ne comporte que peu d’éléments mécaniques. Il s’agit d’un battant, sorte d’enveloppe creuse articulée autour d’une charnière fixée sur un socle de béton.
- En position repos l’enveloppe se remplit d’eau et descend de son propre poids sur le radier.
- En position active, de l’air injecté chasse l’eau et permet au battant de remonter par gravité. La hauteur dépend de la quantité d’air insufflée.
- Un tel procédé est en application dans le Projet MOSE qui doit protéger la lagune de Venise des hautes eaux de l’Adriatique (Acqua alta).
Nouveau barrage à vannes-clapets en construction à
Givet.
- Barrage mobile à clapets, d’un fonctionnement comparable au barrage à mobile à gravité ci-avant à la différence près qu'il est mû par deux vérins hydrauliques8 situés de part et d'autre du clapet. Il respecte parfaitement sa fonction : réguler l'écoulement de la rivière pour maintenir un niveau sensiblement constant dans le bief amont. Son principal inconvénient est d'être excessivement dangereux pour le touriste nautique. Les poissons ne peuvent le remonter que lorsque la rivière est en hautes eaux et le clapet complètement baissé9.
D'autres types de barrages
Un barrage fait à la main sur un ruisseau.
Il existe d'autres catégories de barrages, en général de taille plus réduite.
Les barrages de stériles miniers sont des barrages construits avec des résidus d'exploitation minière pour créer une zone de stockage de ces stériles. Les barrages sont montés au fur et à mesure de l'exploitation de la mine. Ils s'apparentent aux barrages en remblai.
Les barrages de montagne sont des ouvrages destinés à lutter contre les effets de l'érosion torrentielle. Ce sont des ouvrages construits en travers des torrents. Ils peuvent interrompre (partiellement ou complètement) le transport solide ; ils peuvent également fixer le profil en long d'un thalweg en diminuant l'agressivité des écoulements.
Les digues filtrantes sont des ouvrages construits en pierres libres à travers un talweg ou bas-fond dans lequel des eaux de ruissellement se concentrent lors des grandes pluies. La digue sert à freiner la vitesse de l'eau des crues, et elle épand ces eaux sur une superficie au côté amont, action par laquelle l'infiltration est augmentée et des sédiments sont déposés. La superficie inondable constitue un champ cultivable sur laquelle sont obtenus de bons rendements grâce à une meilleure disponibilité en eau et en éléments nutritifs pour les cultures comme le sorgho. En même temps, l'érosion de ravine dans le talweg est arrêtée ou évitée10.
Éléments constitutifs
Selon le type d'utilisation auquel il est destiné, le barrage pourra comprendre plusieurs éléments constitutifs parmi les suivants :
Machines hydroélectriques
Instrumentation et outils de contrôle
Déversoirs de crue[modifier]
Le déversoir est une partie du barrage destinée à évacuer un débit depuis le réservoir amont vers un canal de décharge. Il sera notamment utilisé en cas de crue qui pourrait mettre en péril le barrage en faisant augmenter le niveau amont de manière excessive. Certains déversoirs de crue sont équipés de système de vannes permettant de contrôler le débit restitué ; les autres déversoirs, dits « à seuil libre », sont plus fiables en regard des ruptures ou des pannes mécaniques. Le déversoir est l'un des principaux systèmes assurant la sécurité des ouvrages. Il existe plusieurs types de déversoirs parmi lesquels : le déversoir principal qui permet d'évacuer les crues les plus courantes, les déversoirs auxiliaires qui permettent d'évacuer les excédents de débit du déversoir principal, le déversoir d'urgence qui est défini pour évacuer les crues exceptionnelles (pouvant aller jusqu'à des crues d'occurrence très faible, avec des périodes de retour de plus de 10 000 ans pour certains ouvrages). La conception d'un déversoir doit répondre à arbitrage entre : les dimensions du déversoir, la quantité d'eau stockée et la quantité d'eau évacuée. Plus cette dernière est grande, plus le déversoir doit être large ou profond. Le déversoir peut être confronté à des problèmes d'érosion, parfois liés à la cavitation ou à la turbulence, qui peuvent entraîner sa destruction.
La gestion de la crue est un arbitrage entre le débit envoyé en aval, et le risque de noyer l'amont de la retenue par la montée des eaux retenues. La réglementation française impose de ne pas aggraver le débit maximum (pic) de la crue.
Bassins dissipateur d'énergie
Sert à dissiper l'énergie présente dans l'eau circulant dans le canal de décharge. Le bassin dissipateur d'énergie permet de prévenir l'érosion à l'aval.
Vie des barrages
Entretien des barrages
Accumulation de débris naturels et anthropiques contre le mur d'un barrage.
Un barrage n'est pas un simple mur plus ou moins solide. Il n'est pas inerte et fait l'objet surveillance sismologique et technique sous plusieurs critères. L'ouvrage vit, travaille et se fatigue en fonction des efforts auxquels il est soumis.
Tout barrage peut être exposé à 4 types de risque :
- les défauts de maintenance et de contrôle, eu égard à l'obsolescence des matériaux ;
- les crues ;
- les accidents de terrain, mouvements ou glissements ;
- les séismes, celui de référence se situant à 3,5 sur l'échelle de Richter.
L'obsolescence des matériaux est principalement liée à la dégradation du matériau béton, qui peut être sujet à deux maladies : l'alcali-réaction (dont souffre le barrage du Chambon, en France) et la réaction sulfatique interne (dont souffre le barrage de Bimont, en France)11.
Généralement, on estime qu'au cours du 20e siècle, 1 % des barrages à travers le monde se sont rompus11.
Pour des raisons de maintenance des ouvrages, les barrages sont régulièrement inspectés. Chaque année, l'aspect extérieur du barrage est examiné, et périodiquement (tous les 10 ans en France) la retenue d'eau est vidée afin de permettre l'accès à la fois à la partie inférieure de l'ouvrage et aux équipements (conduites d'eau, grilles, vannes, etc.).
Les ouvrages intéressant la sécurité publique sont également auscultés, par des capteurs permettant de mesurer leurs comportements (mesures de déplacements, de pression d'eau, de débit…). De son état dépend la sécurité des populations installées en aval.
Pour autant la probabilité de rupture est extrêmement faible : statistiquement, une rupture par an sur un parc mondial de 16 000 barrages, Chine exclue. En Europe, la probabilité est encore plus basse. En fait le danger est le plus élevé au moment du premier remplissage, le risque étant cependant bien moins élevé pour les ouvrages en béton que pour ceux en remblais.
En France, les dispositions réglementaires relatives à la sécurité et à la sûreté des ouvrages hydrauliques sont assurées par le décret 2007-1735 du 11 décembre 2007. Ce dernier a établi une nouvelle classification des digues et barrages et a clarifié les mesures à prendre pour assurer leur contrôle, leur mise sécurité et leur maintenance.
Les barrages construits dans les Alpes, dans les années 1950 et 1960, au plus fort de l'âge d'or de la houille blanche, sont aujourd'hui parvenus dans une phase de vieillissement qui nécessite des frais de maintenance de plus en plus élevés. EDF estime que la plupart des ouvrages hydrauliques atteignent seulement la moitié de leur espérance de vie mais a annoncé un important programme d'investissements pour la maintenance et la réhabilitation. Selon le rapport de l'OPCEST (office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques) français du 9 juillet 2009, les principales inquiétudes résident moins dans les grands ouvrages que dans la multitude de petits barrages en France pour lesquels les niveaux d'entretien et de contrôle sont insuffisants.
Un défaut de conception ou d'entretien peut conduire à une catastrophe : si le barrage cède alors que la retenue d'eau est relativement importante, un raz-de-marée peut déferler sur les populations vivant en aval, plus ou moins canalisé par la topographie du cours d'eau sur lequel le barrage était implanté (voir l'article Catastrophe). En France, une telle catastrophe a eu lieu en 1959 près de Fréjus, au Barrage de Malpasset.
Le film La Folie des hommes (2001) relate les déboires du barrage de Vajont, en Italie, au début des années 1960. Tiré d'un fait réel, le film montre les causes et l'enchaînement des évènements qui conduisirent à un glissement de terrain de 270 millions de mètres cubes dans les eaux du lac de retenue du barrage. La vague gigantesque qui s'ensuivit fit 2 000 victimes, le 9 octobre 1963.
La principale catastrophe liée a un barrage est la rupture du barrage de Banqiao en Chine en 1975 qui causa la mort de 26 000 personnes directement à cause de l'inondation.
Séismes
Les séismes font partie des événements susceptibles de nuire à la stabilité des barrages.
Cependant, historiquement, les ruptures causées par des séismes sont très peu nombreuses comparées à celles dues à des défauts de conception.
En France, les grands barrages font l'objet d'une simulation informatique de comportement dans le cas du plus fort séisme historique connu dans la région (souvent estimé d'après des documents anciens, mais n'allant pas bien au-delà de 500 ans environ). Ainsi le séisme de référence dans les Pyrénées est celui du 21 juin 1660, de magnitude estimée autour de 6 et dont l'intensité a été de IX à Bagnères-de-Bigorre). Un tel séisme causerait aujourd'hui des dégâts importants dans les Hautes-Pyrénées, mais serait néanmoins supporté par tous les grands barrages[réf. nécessaire].
Les ruptures les plus fréquentes ont concerné des ouvrages en remblai de taille modérée, construits avec des matériaux sableux ou silteux, ou fondés sur des sols de cette nature ; il peut en effet se développer dans ce cas un phénomène appelé thixotropie, qui fait perdre toute résistance au sable ou au silt saturé.
Le contrôle des barrages en France
La sûreté de fonctionnement des barrages est de la responsabilité civile et pénale de ses exploitants. Néanmoins, compte tenu du risque et de l'ampleur des conséquences potentielles, le domaine est contrôlé par des services d'État. Les barrages situés dans les concessions hydroélectriques font partie du Domaine Public Hydroélectrique. Les DREAL(ex-DRIRE, division Énergie) sont en charge de la tutelle de ces ouvrages appartenant à l'État et confiés par concession à un aménageur / exploitant. Les MISE (Mission Interservice sur l'Eau, au sein des DDEA) sont en charge des ouvrages réalisés et exploités sous le régime de l'autorisation (petite hydroélectricité, et ouvrages sans utilisation énergétique).
Après la catastrophe de Malpasset (2 décembre 1959), le Ministère des Travaux Publics a rédigé la circulaire n° 70-15 du 14 août 1970, encadrant les missions des services de contrôles et les obligations des exploitants. Le ministère de l'Industrie a complété la circulaire 70-15 par une circulaire BMI (barrages de moyenne importance) le 23 mai 1995, applicable aux seuls ouvrages concédés. Parallèlement, a été créé le CTPB en 1963 (Comité technique permanent des barrages), réunissant les plus grands experts français, et depuis 1992 les plus grands barrages sont soumis à un PPI (plan particulier d'intervention) où sont analysés les risques (dont les séismes et les glissements de type barrage de Vajont).
Avec l'ouverture du marché de l'électricité et le changement de statut des principaux exploitants (EDF, CNR, SHEM) les circulaires devenaient inefficaces, et après réflexion commune une réglementation nouvelle a été définie par le décret n° 2007-1735, reprenant en les accentuant les dispositions mises en place pour ausculter les barrages et analyser leur comportement.
En premier lieu, le début de l'année 2008 voit le classement de tous les barrages, hydroélectriques ou non, en 4 classes :
- A pour les barrages de plus de 20 m de hauteur au-dessus du terrain naturel ;
- B pour les barrages de plus de 10 m et dont le rapport BMI est supérieur à 200 ;
- C pour les barrages de plus de 5 m et dont le rapport BMI est supérieur à 20 ;
- D pour les autres barrages de hauteur supérieure à 2 m.
Ce rapport [Contradiction !] BMI = H2 . V1/2 [Contradiction !], où H est la hauteur maximale au-dessus du terrain naturel et V le volume (en millions de mètres cubes) retenu par le barrage, conjugue le risque (hauteur) et les conséquences d'une rupture éventuelle (volume). Il a été introduit par André Goubet, ancien président du CTPB, dès 1995 pour un élargissement du classement de l'époque, dont décembre 2007 est le dernier développement.
Les barrages de classe A font l'objet tous les 10 ans d'une étude de dangers (EDD), un examen technique complet (ETC, remplaçant l'ancienne visite décennale) et une revue de sûreté (RPS). Les barrages de classe B font l'objet d'une étude de dangers tous les 10 ans.
Tous les barrages classés (A, B, C et D) doivent disposer :
- d'une consigne de crue ;
- d'une consigne d'auscultation et de surveillance (CSA) ;
- d'un dispositif d'auscultation adapté.
Ils font l'objet :
- d'un rapport annuel de l'exploitant, incluant tous les faits notables pour la sûreté ;
- d'une analyse biennale des mesures d'auscultation ;
- d'une déclaration systématique de tout événement significatif pour la sûreté hydraulique (EISH).
Démantèlement des barrages
Le démantèlement d'un barrage n'est pas affaire d'écologie, mais d'atteinte de la limite de vie du barrage, même si cela permet, en partie, aux écosystèmes fluviaux de fonctionner de manière plus satisfaisante. L'investissement initial réalisé par le constructeur, toujours pour satisfaire un besoin de service public (eau potable, irrigation, électricité) avec des moyens de développement durable, n'a pas vocation à être abandonné ou détruit. On notera l'absence de financement de ces démantèlements pour l'usage piscicole (essentiellement de loisir), et l'absence de planification de moyens durables de remplacement de la production d'énergie ainsi perdue.
En France, le barrage de Poutès (Haute-Loire) pourrait ainsi être démantelé. Le premier barrage hydroélectrique à avoir été démantelé est celui de Kernansquillec à Plounévez-Moëdec dans les Côtes d'Armor. « En 1996, la démolition du barrage hydro-électrique, une première en France sur une rivière à saumons, a permis au paysage englouti de refaire surface »12.
De même, parce que ne satisfaisant plus aux obligations de sécurité publique, le barrage du Piney (eau potable, maîtrise d'ouvrage communale) à Saint-Chamond a été mis en sécurité en 2000 par percement d'un pertuis au pied du barrage.
Conséquences environnementales
Les grands barrages sont de puissants facteurs de fragmentation écologique pour les poissons migrateurs.
Impacts négatifs
Un barrage peut générer une fragmentation écologique, lorsqu'il est un frein ou blocage à la migration d'espèces aquatiques. Il y a dans certains pays obligation depuis quelques années sur les ouvrages neufs (en France, sur les rivières classées « migrateurs » depuis la Loi « Pêche » n° 84-512 du 29 juin 1984) de créer des échelles à poissons. Celles-ci sont encore rares sur les ouvrages anciens ou sur les rivières où la présence d'espèces migratrices n'est pas identifiée. Réciproquement, certains ouvrages sont équipés sans obligation, par la volonté de l'exploitant. Certaines échelles à poissons mal conçues ou mal construites peuvent se révéler peu efficaces. Le transport des poissons en camion est parfois la solution alternative retenue, par exemple sur la Garonne entre Carbonne et Camon, où l'enchaînement de cinq barrages importants aurait nécessité des équipements onéreux, et un trajet très éprouvant pour le migrateur. Les poissons sont donc « piégés » à une extrémité de la chaîne, identifiés et transportés par camion-citerne à l'autre extrémité.
Un barrage peut générer des modifications hydrauliques, lorsqu'il bouleverse le débit naturel et saisonnier du cours d'eau, affecte le niveau des nappes et le transfert des matières en suspension et sédiments. Il a des effets différés sur les écosystèmes d'une vaste zone en raison de l'inondation de la zone amont, et de la forte modification du régime d'écoulement des eaux de la zone aval, ainsi que de la modification de la qualité des eaux provoquée par la retenue.
Un barrage peut générer une modification des structures écologiques et faciliter des « invasions biologiques ». Un écosystème sub-naturel et plus ou moins équilibré se reconstitue dans ces zones plus ou moins rapidement (en l'espace d'environ 30 ans, l'écosystème serait recréé à 99 %[réf. nécessaire], y compris en aval dans les anciennes zones asséchées). Néanmoins, cet écosystème n'est jamais identique à celui d'origine : la disparition des courants en amont, et la très forte diminution du débit en aval, ainsi que la disparition ou le lissage des débits saisonniers provoque généralement la disparition de certaines espèces autochtones. De plus, une étude13 publiée en septembre 2008 a confirmé aux États-Unis que dans les bassins versants, les milieux artificiels que sont les lacs de retenues étaient beaucoup plus propices au développement d’espèces aquatiques dites « invasives » que les lacs naturels, Cette étude a cherché à corréler dans la région des grands lacs l’importance des invasions biologiques avec la physico-chimie de la masse d’eau, l’intensité et la nature des activités nautiques avec la distribution géographique de cinq espèces non indigènes14. L’étude a montré que le risque d’invasion biologique est (pour la région des grands lacs) de 2,4 à 300 fois plus élevé dans les lacs de retenue que dans les lacs naturels (vers 2005/2008). Ce risque a augmenté avec les temps, et la menace augmente pour les lacs naturels car l’augmentation du nombre de retenues touchées a presque partout diminué la distance entre eaux « contaminées » et eaux naturelles. C’est dans ce cas l’homme qui joue le rôle principal de colporteur et en particulier selon Pieter TJ Johnson l'un des auteurs de l'étude, les activités de pêche et de nautisme qui favorisent la dissémination de nombreux organismes, dont la moule zébrée (accrochée sous les bateaux), les myriophylles invasifs accrochés aux remorques porte-bateaux, et les éperlans arc-en-ciel et une écrevisse invasive qui a été utilisée comme appât (aujourd’hui interdit).
Impacts positifs
Un lac de barrage peut être un accueil d'oiseaux migrateurs, lieux de reproduction de certaines espèces aquatiques,
Un lac de barrage peut améliorer les conditions d'écoulement en étiage. De plus en plus, les barrages hydroélectriques participent à un soutien d'étiage, permettant une vie estivale de rivières par ailleurs affectées par de nombreux prélèvements (autorisés ou non), d'améliorer le refroidissement des eaux, et la dilution des pollutions en aval. En France, depuis la même Loi Pêche de 1984, tous les obstacles sur les rivières françaises doivent obligatoirement laisser dans le cours d'eau 1/40 du module (moyenne de débit), et 1/10 pour tous les ouvrages neufs ou dont le titre est renouvelé. Afin de mettre fin à cette situation inégalitaire (posant de nombreux problèmes de variation des débits sur un même cours d'eau), la nouvelle loi sur l'eau et les milieux aquatiques15 a fixé au 1er janvier 2014 la date limite de délivrance de 1/10 pour tous les ouvrages. Cette LEMA introduit cependant l'exception des barrages de haute chute, assurant le soutien du réseau électrique, auxquels le débit réservé pourra être limité à 1/20 (une liste devant être fixée par décret). De même, sur justification par une étude adaptée, le débit pourra être modulé sur l'année (régime réservé).
Un lac de barrage peut être une source de production d'énergie renouvelable, lorsqu'il s'agit d'un barrage hydroélectrique.
Les barrages d'irrigation ou d'eau potable sont aussi construits pour apporter des bienfaits pour l'agriculture et l'alimentation en eau. Ces impacts doivent donc être pesés au même titre que les inconvénients portés au milieu aquatique ou à la pêche de loisir.
Alluvions
Dans le cas de fleuves à fortes quantités d'alluvions (avec risque de stagnation des boues fertiles – cas du barrage des Trois Gorges), il serait nécessaire de redresser, réaménager toutes les pentes en amont en terrasses « format rizières » à talus arborés (à drain naturel des racines des arbres et croissances plus rapide de ceux-ci, tel que l'indique l'INRA Agroforesterie). Solution paysagiste et climatique tout à la fois, éliminant crues, érosions, pertes d'humus et sècheresses...
En plus, en bas du barrage, de trouver le moyen de faire une chasse de ces alluvions (par turbine), sans affouillement possible, assez haut au-dessus de l'embase (fondation) plus large de celui-ci, afin que les alluvions restantes partent suffisamment en aval pour enrichir les berges en embouchure. La solution de ces chasses d'alluvions pourrait être conçue débouchant dans la conduite de sortie des turbines, afin de servir d’entraînement central du flot sortant, accélérant le débit et l'efficacité (rendement) de celles-ci, surtout si le fleuve en aval est à faible pente.
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