Cheminées d'équilibre

Appréhender et maîtriser le comportement hydraulique d'une cheminée d'équilibre, lors d'un phénomène transitoire rapide : un enjeu fort de sécurité, pour éviter les risques de dommages conséquents sur les équipements : conduite forcée, turbine, vannes, etc.

La fonction hydraulique

La cheminée d'équilibre est un élément de protection essentiel des ouvrages d'amenée des aménagements hydroélectriques, dont le chemin d'eau amont souterrain, excavé dans la montagne, est relativement long : ce puits vertical de grande hauteur permet d'amortir le violent coup de bélier qui survient lors du démarrage ou de l'arrêt d'un groupe et elle peut également aider au démarrage du turbinage, en réduisant l'inertie et le temps de lancer hydraulique du chemin d'eau amont.

Notamment, lors d'un phénomène transitoire lié à une variation brusque du débit turbiné, les oscillations du niveau d'eau dans la cheminée permettent d'absorber les fortes surpressions et dépressions qui se propagent dans la galerie ou la conduite amont. Or le comportement hydraulique transitoire des cheminées est parfois difficile à appréhender par le calcul analytique ou la modélisation numérique, du fait d'une géométrie spécialement complexe, ou d'un fonctionnement particulier (cheminées déversantes ou cheminées interconnectées, par exemple).

L'apport du modèle physique

La modélisation physique est alors un outil puissant, permettant de reproduire les phénomènes hydrauliques fidèlement et très concrètement, selon les lois de similitude, en reproduisant à échelle réduite les variations extrêmement rapides de débit.

Les modèles de cheminées d'équilibre sont alors assez particuliers, d'une part de par leur taille hors du commun (une cheminée de hauteur réelle 300m peut ainsi être représentée par un modèle d'environ 6m de hauteur!), et d'autre part de par son équipement et son instrumentation hautement perfectionnés : un système de vannes automatisé et piloté par ordinateur permet de couper le débit selon une cinétique bien établie, en général de quelques dizaines de millisecondes. 

Les amplitudes de niveau d'eau, la vitesse de montée et de descente sont mesurées en fonction du temps de coupure du débit. Le comportement hydraulique interne est observé et analysé : perte de charge en base de la cheminée, capacité de surverse, facilité de vidange des éventuels tronçons horizontaux, etc

La géométrie de l'ouvrage peut ainsi être amenée à être optimisée en fonction des résultats obtenus, notamment au droit de la base de la cheminée, où les pertes de charge jouent un rôle prépondérant dans le comportement global, ou encore au sommet de la cheminée si celui-ci est déversant.