Un réseau qui fonctionne bien est un réseau bien conçu, bien dimensionné, bien posé et bien entretenu. Parmi ces quatre points, la conception et le dimensionnement assurent un bon fonctionnement et une longévité dans le temps.
Dans les agglomérations, la collecte des eaux usées et pluviales s’avère indispensable. Celle-ci s’effectue par un réseau de canalisation construit à l'aide de tuyaux, de branchements, de caniveaux, de regards, de bouches d’engouffrement... La conception du réseau d’assainissement fait intervenir de multiples données liées par exemple à l'environnement et au choix des éléments qui le constituent. Le concepteur du réseau détermine d'abord pour les différentes mailles les débits et les pentes qui sont des contraintes du projet. Celles-ci sont calculées en fonction des débits collectés. Il calcule ensuite les diamètres et choisit la nature des tuyaux d’assainissement.
Pour guider ces calculs, différents textes
normatifs et réglementaires guident le concepteur dans ses choix.
« La norme européenne transposée en norme française NF EN 752-4 de novembre 1997 porte sur les « réseaux d’évacuation et d'assainissement à l’extérieur des bâtiments ». « L'application de ce texte est obligatoire pour tous les marchés publics », explique Francis Dutruel, directeur technique au Cerib, le Centre d'études et de recherches de l'industrie du béton. Elle est, dans sa partie 4, dédiée à la conception hydraulique et aux considérations liées à l'environnement. Ce texte s’applique aux ouvrages fonctionnant principalement à écoulement libre, allant du point où l'effluent quitte le bâtiment, ou pénètre dans un avaloir de chaussée, jusqu’au point où il est déversé dans une station de traitement ou dans le milieu récepteur.
Le fascicule 70 est le cahier des clauses techniques générales dédié aux ouvrages d'assainissement. Il porte sur le choix des matériaux, sur le dimensionnement et sur la mise en œuvre des divers éléments. Obligatoire pour tous les chantiers publics, son décret d’application n° 92-72 date du 16 janvier 1992. Une nouvelle version est actuellement en fin de révision. Le nouveau texte est prévu pour sortir au début de l'année 2004. Il se réfère à la norme NF EN 752. « Il reprend différentes règles de constructions établies à l’échelle européenne », explique Vincent Hemery, président de la FIB, Fédération de l’industrie du béton. Le texte européen est lié à la directive construction qui date de 1989. C’est un compromis entre la normalisation des différents pays de la commission. Il aboutit au minimum de la réglementation européenne qu’est le marquage CE. Il fait notamment appel pour le calcul hydraulique des ouvrages à la norme NF EN 752-4 citée ci-dessus. Le fascicule 70 nouvelle version intègre, en plus de la réglementation européenne, différents compléments nationaux. Par exemple, pour la France, les produits de qualité devront avoir reçu le double marquage CE et NF, le marquage CE indiquant que le produit est conforme à la partie harmonisée de la norme européenne et l'estampillage CE + NF confirmant la réglementation CE à laquelle s’ajoutent les règles de l'art de la normalisation française contrôlées par une tierce partie. Ces deux marquages seront possibles dès septembre 2003.
Cependant, au niveau européen, les différents pays ont du mal à se mettre d’accord, et des parties sont toujours en cours de discussion, notamment sur le dimensionnement mécanique. « La méthode française du fascicule 70 unifie tous matériaux et fait le consensus avec tous les utilisateurs. À l’échelon européen il y a une tentative de méthode unificatrice, mais pour l’instant, il n’y a pas moyen de se mettre d’accord. Il y a une opposition entre la méthode française, basée sur l’analyse et modélisation mathématique et la méthode allemande semi-empirique, construite sur des résultats d’essais, ces deux méthodes s’opposent », explique François Leblanc, président du Cerib. « Nous essayons de travailler à l’échelon des groupes de travail européen pour que la méthode française du fascicule 70 soit reconnue. » Au-delà de ces batailles d’experts, tous les textes se réfèrent, en ce qui concerne les calculs hydrauliques, à la norme NF EN 752-4. Voyons ce qu'elle préconise.
Pour dimensionner : deux formules
Deux formules sont recommandées par cette norme pour le calcul hydraulique en régime turbulent des branchements et des collecteurs. Il s’agit des formules de Colebrook (appelée aussi formule de Colebrook-White dans la version anglaise, Prandtl-Colebrook dans la version allemande) et de celle de Manning-Strickler (appelée aussi Manning dans la version anglaise).
Pour des tuyaux pleins et circulaires, c’est-à-dire en charge, c’est la formule de Colebrook qui est utilisée. Cependant, ce cas est rare en assainissement car l’écoulement s’effectue plutôt librement. Et c’est pour cela
qu’on lui préfère, tant en Europe qu’aux États-Unis, la formule de Manning-Strickler.
Elle consiste à appliquer la relation :
Q = K·S·R^{2/3}·I^{1/2}
Formule dans laquelle :
Q : représente le débit de l’effluent,
K : le coefficient global d’écoulement,
S : la section d’écoulement,
R : le rayon hydraulique qui est par définition le rapport de la section d’écoulement au périmètre mouillé,
I : la pente de la canalisation.
Dans cette formule, le coefficient global d’écoulement K est lié à différents paramètres, notamment :
- * à la nature de l’effluent (eaux usées ou eaux pluviales), à la quantité de matières solides véhiculées et aux éventuels dépôts, à l’air contenu dans l’effluent, à sa température ;
- * aux caractéristiques des tuyaux et donc aux diamètres intérieurs, mais aussi à leurs éventuelles déformations telles l’ovalisation, à leur rugosité absolue modifiée en service par le développement d’un biofilm, au nombre de joints et surtout à la façon dont ils assurent la continuité géométrique de l’ouvrage ;
- * à la qualité de la pose et donc notamment aux contre-pentes ou aux désalignements qui peuvent se présenter pendant la durée de vie de l’ouvrage ;
- * aux points singuliers du réseau : coudes éventuels, qualité des raccordements au niveau des regards et des branchements ;
- * aux taux de remplissage ;
- * à la qualité et à la périodicité de l’entretien.
Autant dire que la détermination du coefficient K se révèle complexe.
Estimer le débit de l’effluent
Un nouveau réseau doit être prévu pour absorber les débits collectés, mais aussi les volumes à venir. L’évaluation des débits d’eaux usées maximum est réalisée à partir de la consommation journalière d’eau par habitant. Cette consommation est calculée ou estimée aux périodes de consommation les plus fortes dans l’année. Le concepteur doit aussi tenir compte de l’accroissement prévisible de la population, de l’augmentation des entreprises et du développement probable de la consommation des usagers. À défaut d’une information exacte, il est possible d’admettre que le débit moyen journalier est de l’ordre de 200 à 250 litres par habitant et par jour. Ce chiffre tient compte des parasites et des besoins publics courants. En tenant compte du nombre d’usagers raccordés en amont, il est possible de remonter au débit moyen journalier en un point du réseau. Cependant, à certaines périodes de la journée la consommation est plus grande qu’à d’autres et il faut en tenir compte. On applique pour cela un coefficient de pointe « p » dont la valeur en amont du réseau peut atteindre 4 et qui tend à décroître en aval lorsque le nombre des raccordés augmente. Pour son calcul, l’Instruction technique de 1977 propose la formule suivante :
p = a + b√q,
où q, le débit moyen journalier, est exprimé en litre par seconde et les valeurs a et b sont prises respectivement égales à 1,5 et 2,5.
Il faut noter que cette évaluation des débits doit prendre en compte les rejets des entreprises existantes et à venir. Compte tenu de la disparité des consommations moyenne d’une filière industrielle à l’autre, cette estimation est délicate à faire pour ces dernières. Il y a lieu de s’appuyer sur des valeurs moyennes qui sont en général de l’ordre de 30 à 60 m³ de consommation supplémentaire par habitant par jour et par hectare loti. Le réseau, s’il transite des eaux pluviales, doit aussi tenir compte des événements pluvieux. Il doit donc être correctement dimensionné pour ne pas induire d’inondation.
En France, la pratique la plus courante pour le dimensionnement du réseau est de prendre en compte la pluie décennale. Cependant, dans des quartiers fortement urbanisés et sans relief, il est préférable de tenir compte des événements se renouvelant sur une période de 20 ans, voire 50 ans. En l’absence de méthode spécifiée, la norme NF EN 752-4 propose une formule pour les aires de moins de 200 hectares. Inconvénient, cette méthode simplifiée impose de connaître l’intensité pluviale dans la zone concernée. Une autre méthode est proposée par l’Instruction technique de 1977. Elle s’applique aux bassins versants dont la surface
Coefficient K : des données confirmées par des essais
… est comprise entre 0,1 et 200 hectares. Cette règle divise la France en trois régions de pluviométrie homogène. Une formule distincte est établie pour chacune d'elles et pour différentes périodes de retour. À partir de là, il est possible de calculer la section des canalisations à l'aide des différentes formules. Cependant, pour appliquer la plus courante d'entre elles, la formule de Manning-Strickler, il faut aussi déterminer le coefficient K, et c’est là un autre problème.
Déterminer le coefficient K
Pour déterminer le coefficient K, il existe des textes de référence. Sur le plan réglementaire français, l'instruction technique relative aux réseaux d’assainissement des agglomérations (circulaire 77-284) ne fait pas de distinction entre les différents matériaux. La norme suisse SIA 190 précise que pour les diamètres entre 300 et 1000 mm, on admet en général K ≤ 85. Pour les parois très lisses en écoulement turbulent, la même norme précise que K est inférieur à 90. Quant à la norme européenne EN 752-4 transposée en norme française, « elle a été établie par les experts de 18 pays qui préconisent le choix de valeurs comprises entre 70 et 90 sans faire de distinction explicite entre les matériaux », souligne-t-on au Cerib.
Des essais menés aux États-Unis et au Canada ont montré à terme une uniformisation du coefficient K entraînée par le biofilm. Dans les faits, les rugosités initiales sur les tuyaux neufs disparaissent rapidement, masquées par une pellicule grasse constituée d'une biomasse, entraînant dans le temps une uniformisation de la valeur K quel que soit le matériau du tuyau. Pour confirmer ces expérimentations, des essais ont été menés en France par deux organismes indépendants : la Compagnie Nationale du Rhône et la Safège.
Tous ces calculs réalisés pour connaître le diamètre intérieur du tuyau sont indépendants de la nature du matériau. Celui-ci sera retenu ensuite. Son choix est guidé par la nature des sols, par les effluents collectés, mais aussi par les techniques de pose utilisées.
Le concepteur du réseau a le choix entre plusieurs matériaux : PVC, Béton, Fonte…
Pour confirmer son choix il doit vérifier préalablement la compatibilité des caractéristiques mécaniques du tuyau qu'il envisage d'utiliser avec les contraintes auxquelles il sera soumis. Dominique Orditz, ingénieur au CSTB, explique : « Le fascicule 70 fournit une méthode de calcul dans laquelle sont pris en compte un certain nombre de paramètres comme la profondeur et la largeur de tranchée, la présence ou non de charges roulantes ou fixes, les caractéristiques du sol en place, le type de compactage… Toutes ces informations permettent de vérifier à l'aide d'un logiciel que le matériau choisi et la classe du produit sont adaptés au contexte particulier du chantier. »
Ces calculs devront être réalisés pour tous les travaux, que ce soient des travaux neufs, des extensions ou des renouvellements du réseau.
Matériaux – Caractéristiques
Béton | Béton armé | Fonte | Grès | PVC Composition de base : Béton centrifugé et ciment II, fréquence 38 %. Pendant la fabrication, une cage d'armature en acier est positionnée dans le moule Béton centrifugé Fer et carbone (une partie du carbone se sépare du fer et retombe sous forme de petites sphères de graphite) Argiles et chamottes (déchets d'argiles frittées). Tuyaux mis en forme dans des filières subissant ensuite une cuisson Matière plastique de synthèse de vinyle (PVC-CH₂-CHCl) Masse volumique : 2 332,5 kg/m³ | Béton 1 737,3 kg/m³, Acier 7 880 kg/m³ | 2 332,7 kg/m³ | 1 378,4 kg/m³ Coefficient de dilatation : n.a. | 12 × 10⁻⁶/°C | 10,5 × 10⁻⁶/°C | 5,0 × 10⁻⁶/°C Résistivité : Matériau poreux, donc la résistivité dépend de l'humidité environnante | 150…60 × 10⁶ ohm/cm | 10⁸…10¹² Ω mètre Module d'élasticité : 30 000 à 35 000 | 30 000 à 35 000 | 170 000 à 200 000 | 8 000 | 260 à 3 300 Résistance à la traction : De façon générale à la traction faible, la rupture en … | Due à la composition du béton …
Rappel des principaux matériaux utilisés en assainissement et de leurs caractéristiques
Effluents et eaux pluviales : quelques innovations
Plusieurs nouveautés techniques concernant les réseaux de collecte des effluents et eaux pluviales ont été présentées à Pollutec 2002. Nous vous en présentons ici une sélection.
Caniveau avec système de nettoyage intégré
Réalisé en béton de polymère avec cornières en fonte, le caniveau Alfa-Flush d’Alfa-Drain est équipé de deux grilles à barreaux inclinés permettant le passage de l'eau sous pression envoyée par le chariot, qui est raccordé à un nettoyeur haute pression de 150 bars minimum. Les guides latéraux intégrés aux grilles facilitent la progression de cet équipement mobile. Un mouvement de va-et-vient du chariot en partant du bout de la ligne évite la formation de bouchon. Ce système permet de réaliser le nettoyage des lignes à la vitesse de 20 secondes par mètre sans déboulonner les grilles, soit 15 fois plus rapidement qu'un système classique. Le boulon d'origine ne bouge pas et accepte des démontages de grilles répétés, mais lents. Efficace, il restitue les propriétés hydrauliques initiales d'évacuation des eaux et effluents. La résistance répond aux exigences de classe E 600 selon les critères de la future norme européenne PR EN 1433.
Bouche d'engouffrement réglable en tous sens
Avec Delta, Blard répond aux aspirations de chacun des intervenants des chantiers d'eaux pluviales, en fonction des exigences des prescripteurs et des entreprises, et des besoins propres aux voiries françaises en intégrant toutes leurs spécificités. Cette bouche d'engouffrement se monte comme un jeu de Meccano, rapidement et facilement. Réglable dans tous les plans de l'espace, elle s'ajuste au centimètre près en hauteur, en rotation, de 0° à 360°, en inclinaison et en translation pour l'orientation du tuyau et l'alignement parfait de la fonte avec la bordure. Elle s'adapte à plusieurs types courants de fermeture. Son étanchéité verticale est assurée par un joint plastomère TRI 5 entre les éléments, au joint coulissant de l'ensemble Pivot Réglable et Orientable (PRO), et au joint de raccordement avec la canalisation. Delta dispose de larges possibilités de décantation et d'un ensemble siphonné.
Caniveau de drainage et d’évacuation des eaux de ruissellement
Constituant une évolution de la gamme, le caniveau Pratiko de First Plast France est présenté en 100 mm de largeur, trois profondeurs (55, 75, 100 mm) et 1 mètre de longueur. Comme les modèles présentés dans d'autres dimensions (130 à 400 mm de largeur en deux profondeurs chacune), il est emboîtable et collable (PVC), ce qui garantit l'étanchéité des éléments assemblés. Pour assurer la modularité, il suffit d'effectuer une découpe entre les cintres de renfort permettant ainsi de maintenir le même principe d'assemblage par emboîtement et collage et de régler la longueur du caniveau par tranches de 10 cm. La surface lisse du PVC facilite l'entretien et le nettoyage. Sa résistance, à la fois mécanique et à la plupart des agents chimiques (acides ou bases), autorise l'utilisation de ce caniveau dans les domaines privé, public et industriel.
Stations préfabriquées pour le pompage d’eaux usées
Ces stations de pompage en polyester armé de fibre de verre conçues par ITT Flygt répondent aux normes en vigueur. Les stations Eurotop bénéficient des techniques de fabrication les plus récentes (procédés RTM et EHN), garantissant une plus grande maîtrise des épaisseurs de parois et une résistance mécanique supérieure. La sécurité de l'équipement est encore améliorée grâce à une grille anti-chute. La robinetterie, équipée de joints de démontage, est volontairement proposée hors de la station. Elle est facilement accessible par un regard de diamètre 1000 mm. Le fond de cuve autonettoyant est équipé de pieds d'assise intégrés.
Unités de télégestion pour la télégestion des réseaux d’assainissement
L'unité de télégestion FMC a été conçue pour les réseaux d'assainissement par ITT Flygt. Les unités de télégestion FMC permettent de surveiller et de réguler avec précision et fiabilité les débits d’entrée, de pompage ainsi que le volume pompé de la station. Associés à un système de supervision, ces dispositifs optimisent les opérations de pompage et réduisent les interventions techniques sur site. Une gamme complète d'unités de commande, du FMC 100 au FMC 600, est disponible pour répondre aux diverses applications. Toutes les unités possèdent un écran-clavier de contrôle et permettent à l'utilisateur de modifier les paramètres de l'installation. Autre avantage, l'équipement enregistre les événements et paramètres importants.
Système d’emboîtement conique pour tube en acier
Ce système d'emboîtement conique pour tube en acier revêtu d'Hydrodistribution/Oasys autorise une économie de 40 à 60 % du temps de soudage sans détérioration du revêtement interne de la conduite. Cette économie est obtenue par réduction du nombre de passes de soudage grâce à la suppression du jeu d'emboîtement. De plus, ceci permet la suppression totale des opérations de réparation du revêtement intérieur de la conduite grâce à la protection thermique équipant le tube et à la préservation de la qualité du revêtement interne de la conduite et sauvegarde de son alimentarité.
Hydrocurage de réseaux d’assainissement grande longueur
Spécialisée dans les travaux spéciaux de nettoyage de canalisation de gros diamètre, la société Hydrolog vient de mettre au point et de breveter une technologie nouvelle permettant de nettoyer par haute pression des canalisations de 500 ml. Cette technique, qui permet de résoudre de nombreux problèmes par une intervention à distance, est également utilisée pour des applications industrielles et diverses (nettoyage de drains, pipelines, voies navigables…).
Procédé de chemisage partiel pour la réhabilitation des canalisations
CPH est un procédé de la société Hydrovide qui permet la réhabilitation des canalisations d’assainissement par chemisage partiel (ou pose de manchettes). Les différentes résines utilisées par les techniques actuelles (époxy, polyester ou vinylester) présentent des contraintes importantes : stockage réfrigéré et limité à quelques mois, imprégnation manuelle nécessitant une protection contre les émanations ou encore utilisation de solvants pour le nettoyage. L’innovation CPH consiste à utiliser une résine polyuréthane se présentant sous forme de feuilles de 1 mm d’épaisseur. Celles-ci sont prédécoupées en fonction du diamètre de la canalisation à réparer. Véritable produit prêt à l’emploi, la nouvelle résine CPH permet de préparer la manchette en quelques minutes, sans aucun dosage. En effet, il suffit de disposer deux feuilles autour d’une épaisseur de tissu de verre et d’enrouler le tout autour d’un manchon cylindrique gonflable. Cette résine ne dégage aucune émanation, facilite le nettoyage et peut être stockée pendant un an grâce à une enveloppe protectrice hermétique. Avec ses caractéristiques de résistances mécaniques et chimiques certifiées, la nouvelle résine en feuilles CPH est synonyme de gain de productivité, de fiabilité et de sécurité.
Stations de relevage tout inox/composite
Les stations de relevage de SIR existent en polyéthylène rotomoulé ou polyester. Elles sont conçues pour résister à la pression en cas d’installation en nappe phréatique (épaisseur 12 mm) et sont capables de recevoir toutes sortes d’effluents agressifs (acides, bases, huiles, lait, hydrocarbures, etc.). Celles-ci sont équipées en standard des pompes SVO ou SCA (Vortex ou Canal) en inox et composite. Ces pompes sont toutes ADF. La quasi-totalité des équipements (supports, panier dégrilleur, vannes, clapets) est anti-corrosion pour résister aux conditions sévères de fonctionnement de ces stations. Ces stations sont livrées avec des systèmes de flotteurs écologiques ou avec un système de contrôle analogique à pression d’air (IPA). La régulation de fonctionnement peut être assurée avec des coffrets traditionnels électromécaniques, électroniques à cartes ou pilotés par microprocesseur. En standard pour deux hauteurs de base (1,7 m et 2,6 m), elles sont équipées de réhausses permettant des enfouissements jusqu’à 5 m. Les vannes et clapets peuvent se situer dans un regard de vannage séparé. La station SIR 1500 a un volume utile de 700 litres. Quant à la SIR 2500, son volume utile est de 1 000 litres.
Tuyaux béton à bague en polymère
Bona Sabla vient de présenter Fildo, un tuyau béton à bague d’emboîtement en polymère. Cette nouveauté est conçue pour permettre aux entreprises de pose d’optimiser leur travail. Cette technique permet au canalisateur de s’affranchir d’un certain nombre d’opérations : intégration de la garniture d’étanchéité, suppression des niches de réception des tulipes, souplesse des emboîtements. Les premiers tuyaux ont été fabriqués en diamètre 300, et bientôt en diamètre 400. Les performances de l’équipement sont validées par la certification NF.
