Les efforts constants entrepris pour collecter les eaux industrielles et communales des grandes agglomérations et pour les épurer dans des stations centralisées sont à l’origine de réseaux complexes de canalisations qui comportent fréquemment des ouvrages de franchissement d’obstacles.
Le problème a été jusqu’à aujourd’hui résolu par la mise en œuvre de siphons suivant une technologie connue depuis plus de 150 ans. L’ensablement de ces ouvrages survenant après peu de temps rend leur exploitation difficile. Ce phénomène est la conséquence inévitable des variations saisonnières et journalières des vitesses d’écoulement ; il entraîne une réduction de la section du siphon et par suite une diminution de la capacité de transport de l’ouvrage. Dans les eaux usées stagnantes ou s’écoulant à faible vitesse, on observe en outre la formation de gaz, en particulier de l’anhydride sulfureux, qui sont à l’origine de nombreux dommages subis par les ouvrages. Pour empêcher ces processus, on a construit des siphons à sections multiples, qui ne résolvent que partiellement le problème et demandent beaucoup d’entretien. On a également développé divers systèmes mécaniques de nettoyage. Les coûts importants et les problèmes d’exploitation liés à ces procédés ont conduit à repenser la technologie des siphons. Les études menées à cet effet par une équipe d’ingénieurs et un bureau d’études suisse ont abouti à la mise au point de la technique du siphon à coussin d’air.
Principe
La technique du siphon à coussin d’air consiste à superposer au flux d’eau usée un coussin d’air dont le volume est commandé de manière à maintenir dans l’ouvrage une vitesse d’écoulement suffisante pour assurer le transport des matières solides, de telle sorte que les dépôts ne peuvent se former et que le processus de décomposition ne peut entrer en action.
Description
L’ouvrage est constitué de deux puits verticaux (amont et aval) reliés par un tuyau à faible pente (figure 1 : schéma du siphon à coussin d’air). Ils sont divisés en puits (ou tuyaux) affectés aux débits de temps sec et en puits recevant les débits d’orage. Le siphon comporte une section unique généralement circulaire.
Les puits verticaux présentent l’avantage de réduire l’encombrement de l’ouvrage, et la mise en œuvre est simplifiée du fait que le tuyau du siphon est unique.
Fonctionnement
La répartition des débits dans les puits amont et aval permet d’obtenir des vitesses de chute et surtout de remontée de l’eau assurant l’entraînement des matières solides. Dans le tuyau du siphon, la vitesse est régulée par le coussin d’air.
Lors de sa chute dans le puits amont, l’eau entraîne de l’air, lequel se sépare dans le tuyau de siphon et occupe la partie supérieure du tuyau, réduisant la section mouillée, et augmentant en conséquence la vitesse d’écoulement de l’eau.
[Photo : Schéma du siphon à coussin d’air.]
Lorsque le débit augmente, l’air surabondant est évacué par des canalisations grâce à l’ouverture de vannes ; au contraire, si le débit diminue, le coussin d’air augmente de volume, soit avec l’air entraîné par l’eau, soit à l’aide d’un compresseur au cas où le volume d’air nécessaire est trop important pour être compensé par l’apport naturel d’air. L’ouverture des vannes d’évacuation d’air et la mise en marche du compresseur sont automatiques, commandées par la mesure de la hauteur d’eau dans le tuyau de siphon.
La figure 2 représente une vue de l’intérieur de l’ouvrage : raccordement du puits amont au tuyau du siphon ; en bas de part et d’autre du puits d’orage les tuyaux de temps sec, en haut les tuyaux d’évacuation de l’air, sur le côté la porte d’accès au tuyau du siphon.
[Photo : Raccordement du puits amont au tuyau du siphon.]
La figure 3 montre les courbes enregistrées de la vitesse, du débit et de la hauteur d’eau dans le siphon lors d’une forte augmentation de débit provoquée par un orage.
[Photo : Courbes de vitesse, de débit et de hauteur d’eau enregistrées lors d’un orage.]
Le fonctionnement simple de l’ouvrage permet son autorégulation dans la plupart des cas.
Dimensionnement - souplesse d’adaptation
Les puits sont dimensionnés de manière à ce que les débits faibles (de temps sec) transitent par les tuyaux et les grands débits (temps de pluie) par les puits.
La vitesse d’écoulement de l’eau dans le siphon étant réglée par le coussin d’air, le siphon peut être dimensionné pour un débit supérieur au maximum attendu lors de la mise en service. Il est ainsi possible de faire face aux extensions futures du réseau.
Réalisations
Le premier ouvrage construit suivant ce principe est en service depuis 1981 et les expériences qui y ont été menées ainsi que sur les suivants se sont révélées très concluantes. La visite des ouvrages, effectuée après des mois d’exploitation, a montré qu’aucun dépôt ne s’était produit. Sur la figure 4 on peut voir la photographie de pierres et objets divers récupérés à l’aval d’un siphon. À ce jour, plusieurs siphons à coussin d’air sont en service en Allemagne, en Suisse et en France.
[Photo : Pierres et objets divers ayant transité à travers un siphon à coussin d’air.]
Les Services de l’Eau et de l’Assainissement du Val de Marne ont assumé en particulier pour le compte du Syndicat d’Assainissement de l’Agglomération Parisienne la maîtrise d’œuvre d’un ouvrage de franchissement de voies SNCF de notre conception sur le collecteur de rejet de la station de Valenton (longueur : 350 m, tuyau de diamètre : 3,50 m). La construction d’un second ouvrage dans ce même département va commencer à la fin de 1989 pour assurer le franchissement de la Seine à Choisy-le-Roi par un collecteur d’eaux usées.
L’exécution d’un siphon à coussin d’air ne comporte aucun risque, à condition que le projet soit soigneusement étudié en tenant compte des expériences acquises.
Conclusion
Le siphon à coussin d’air, par son profil particulier, permet des économies appréciables de terrain et de frais d’investissement.
Son fonctionnement garantit le transfert rapide des eaux usées et des matières solides qu’elles transportent. Il évite l’ensablement et réduit considérablement les frais d’exploitation.
