Grands travaux : du canal à l’écluse

Jusqu'au XIV° siècle la plupart des rivières ne sont navigables que 7 à 9 mois par an et la navigation se fait au rythme des crues et des étiages. Les fortes pentes, le régime irrégulier des eaux et talweg sinueux s'opposent à une navigation régulière. Les bateaux à fond plat descendent les cours d'eau au prix d'échouages fréquents, et les remontent halés par les hommes et les bêtes de somme. Deux inventions vont révolutionner les transports par fluviaux, le canal à bief de partage et l'écluse à sas.

Un canal est un cours d'eau artificiel aménagé par l'homme ; il convient de différencier le canal latéral d'un canal de jonction. Un canal de jonction joint deux bassins hydrographiques et permet le franchissement d'une dénivelée par des écluses qui permettent la montée jusqu'au bief de partage puis la descente vers l'autre bassin hydrographique. L'alimentation naturelle en eau est impossible dès qu'il s'agit de franchir la ligne de partage des eaux. La dénivelée d'un parcours correspond à la somme des hauteurs ascendantes (positives) et descendantes (négatives) divisées par le nombre d'écluses. Un canal latéral « double » un fleuve difficilement navigable (étiage, courant). Le sassage consomme énormément d'eau. On doit à l'ingénieur Adam de Craponne la construction de « rigoles » destinées à capter les eaux de ruissellement des hauteurs dominant le col pour le passage du canal, à les retenir dans des réservoirs barrages, et à les amener au bief de partage pour alimenter écluses des deux versants. Une écluse se remplit en une quinzaine de minutes, la péniche passée, l'eau va se déverser dans les bassins pour alimenter l'écluse. L'économie d'eau pour le passage suivant est d'environ 60 %.

Les rivières de plaines aux rives basses ne peuvent être canalisées car en période de crue c'est la vallée entière qui risque d'être submergée. Un barrage mobile éclusé laisse passer les eaux en crues et se referme en période d'étiage assurant ainsi un tirant d'eau constant. Sans le barrage de Suresnes construit en 1865, le niveau de la Seine serait inférieur de 2 à 3 mètres et fluctuerait au gré des saisons et des orages.

L'écluse repose sur le principe des vases communicants. Les écluses sont des ouvrages qui permettent aux bateaux de franchir les dénivelés le long des canaux et ainsi de passer un bief (partie située entre deux écluses) à l'autre. L'écluse à sas fut inventée en 984 par le Chinois Qiao Weiyo préfet des transports dans la région de Nankin, et mise en application sur le canal reliant le fleuve Jaune au fleuve Bleu formant une voie navigable de 1 600 kilomètres entre Pékin au nord et Hangzhou au sud. Avant cela les bateaux à fond plat étaient halés sur des plans inclinés pour passer d'un bief à un autre.

En Europe, la première écluse à sas fut construite en 1373 à Vreeswijk (Pays-Bas) sur le canal d'Utrecht. Avant, l'écluse simple comportait une seule vanne derrière laquelle l'eau montait avant de se déverser brutalement (chasse) lors de l'ouverture de l'écluse. Avec l'écluse à sas, l'eau est retenue entre deux portes qui permettent d'élever où d'abaisser le niveau dans le bassin pour le faire correspondre avec celui du canal en amont (côté ou le niveau est le plus élevé) où en aval (côté ou le niveau est le plus bas). En 1468 Léonard de Vinci substitua aux portes qui s'ouvraient dans les deux sens, des portes busquées ne pouvant s'ouvrir que dans un seul sens. Les vantaux fermés forment un angle dont le sommet est orienté vers le courant de manière à être maintenus plaqués par la pression exercée par la hauteur de l'eau (pression hydrostatique. L'angle de plus grande incidence supporte la pression du bief amont. L’étanchéité des portes dans la partie amont du sas est assurée par une forte pièce de bois en partie inférieure du bordé appuyée sur le seuil du radier qui permet de rattraper le niveau du fond du bief supérieur. Si les portes venaient à céder, l'irruption soudaine de l'eau pourrait briser la péniche dans le sas.

Au XVII° siècle le canal du Midi est la plus grande réalisation. Les travaux exploratoires s'étant révélés concluants, Louis XIV donne son accord à condition que le financement le soit par des capitaux privés. Les travaux débutent en 1667 et vont mobiliser 4 000 ouvriers pendant quatorze ans. Les premières écluses de Paul Riquet ont une forme rectangulaire avec des bajoyers (murs) droits. Au mois de mai 1669, une déformation d’un bajoyer de l’écluse des Minimes apparaît. Cette déformation est due à la poussée poussée horizontale de la terre (σh = K.ρ.g.h). Paul Riquet y remédie avec des écluses aux bajoyers à la forme ovoïde. La profondeur des sas est limitée à 3 mètres pour réduire les contraintes sur les maçonneries et faciliter les manœuvres des portes mécaniques mues par manivelle ou volant.

A l’automne 1679 Paul Riquet est confronté à nouveau défi, la montagne du Malpas cachait sous la surface d'un sol dur, un grès friable ! On reproche à Riquet de ne pas avoir écouté le chevalier de Clerville, architecte de Louis XIV, qui proposait de traverser l'Aude. Riquet va réaliser le premier tunnel-canal. Pour franchir le col il aurait fallu construire plusieurs écluses et pourvoir à son alimentation en eau au bief de partage. Un tunnel-canal de 165 mètres d'une largeur de 9 m avec une hauteur 8 mètres est creusé sous le col du Malpas. Une banquette d'une largeur d'un mètre longe le tunnel sur toute sa longueur pour permettre le halage des barques. Lorsqu'il faut franchir de fortes pentes, on construit des écluses contigües, la porte en amont de l'une sert de porte en aval à la suivante. L'« escalier d'eau » de Fonseranes sur le canal du Midi est composé de huit chambres ovoïdes qui permettent de hisser les bateaux sur une hauteur de 21,50 mètres. Pierre-Paul Riquet meurt en 1680 quelques mois seulement avant l'ouverture du canal. Au XIX° siècle, l'évolution des techniques, l'étude des sols, les matériaux et des calculs affinés vont généraliser les écluses rectangulaires moins coûteuses et plus rapides à construire.

Lorsqu'une péniche se présente, l'éclusier(e) ouvre les portes, la péniche pénètre dans le bassin ou sas. Celle-ci amarrée, les portes sont fermées et l'éclusier(e) remplit ou vide le sas en actionnant les crémaillères qui ouvrent ou ferment les vantelles. Lorsque le niveau d'eau est atteint, l'éclusier(e) ouvre les portes à l'aide de bras de levier ou de volant. Les portes sont surmontées généralement d'une passerelle pour le passage d'une berge à l'autre. Les écluses automatisées dispensent de la présence d'un(e) éclusier(e). Dans les écluses modernes, le vannage fait appel à des buses placées dans le radier pour faire monter ou abaisser le niveau de l'eau dans le sas et sans remous. Chaque sassage entraîne une grande consommation d'eau qui peut être réduite lorsqu'une péniche montante suit un « avalant ». 

Depuis la loi Freycinet de 1879, les dimensions doivent être au minimum de 38,5 m sur 5,20 m. ;-( Le sas d'une écluse est assimilable à un parallélépipède rectangle dont le volume est égal à L x l x h d'eau. La vitesse d'écoulement de l'eau par la ventelle en mètres seconde correspond à √2g.(h-x), g = 9,81, h la hauteur à partir du radier jusqu'à la surface du plan d'eau supérieur, x la hauteur d'eau au-dessus du radier (principe de Torricelli). Exemple h = 4,3 m et x = 1,80 m la vitesse est de 7 m.s-1. La vitesse est nulle lorsque x = h. Le débit moyen de l'eau à travers la ventelle dépend de la vitesse du fluide et de la surface d'écoulement : q = S x v avec q en m³.s^-1, S en m2, v en m.s^-1. La durée t de remplissage (en secondes) du sas est égale au volume divisé par le débit moyen (D = V /t). Les vantaux d'une porte d'écluse se doivent de résister à la pression hydrostatique et à la force du courant. La pression hydraulique s'exerce verticalement et horizontalement (isotropie). La pression totale est égale à la pression atmosphérique qui varie avec le lieu (g) et l'altitude ; la pression partielle ou différentielle est égale à la pression totale moins la pression atmosphérique. La force de poussée active au centre de gravité d'une surface plane est égale à la pression multipliée par l'aire de la surface, et le centre de poussée amont et de contre-poussée aval se déplacent lorsque les niveaux d'eau changent. La force résultante est égale à la différence entre la poussée F amont et la poussée en aval. La compression entre les deux vantaux qui prennent appui sur les berges et qui forment un angle « arc » est énorme. La force s'exerçant sur le joint situé entre les deux vantaux assurant l'étanchéité de la porte (R = Fres / sin α) peut dépasser 8 000 kN pour une petite écluse ! ;-)

L'écluse peut être un aménagement annexe à un barrage ou être un ouvrage d'art isolé qui intéresse les militaires. Fin 1943 l'état-major allemand réduit à la défensive se tourne vers la création d'une unité de nageurs-saboteurs Kommando Der Klein Kamfmittel (« guérilla ») en charge d'agir sur l'arrière du front et les voies fluviales. Trois nageurs-saboteurs vont tracter une charge d'une tonne jusqu'à l'écluse de Kruisschan qui permet l’accès au port d'Anvers. Les réparations prirent trois mois. Dans les années soixante et soixante-dix la destruction des portes d'une écluse était un exercice de mise en œuvre des explosifs enseigné dans les Centres d'Entrainement Commando voulus par le général Massu. « Les unités de Défense Opérationnelle du Territoire doivent le cas échéant, pouvoir se constituer en maquis pour continuer la guerre dont les premières batailles auraient mal tournées pour nous. (...) Nous leur donnerons des armes et des transmissions qui puissent servir aussi au combat classique ou de commando qu'à la guérilla » Pierre Messmer 1963. Cet exercice et les CEC ont disparus, les gouvernements post soixante-huitards ont pris peur et désarmé les esprits.

La « donne » a changé, sont concernés : les Plongeurs Combat Génie, ceux du 13e RDP, 1e RPIMa, 2e RH, 2e REP, CNEC de Mont-Louis, CPEOM titulaires de la qualification I/O. L'écluse concerne également les Nageurs de Combat du commando Hubert avec les portes à flot qui se ferment avec le flux de la marée pour empêcher les eaux salines de pénétrer dans les terres et s'ouvrent pour permettre l'écoulement de l'eau douce (fleuve, pluie) par gravité dans l'estuaire. Les portes à marée qui permettent de stocker l'eau apportée par la marée haute afin de toujours disposer d'un tirant d'eau portuaire suffisant. Les œuvres vives d'un navire sont inspectées, entretenues et réparées en cales sèches. La porte fermée, l'eau est vidée par des pompes.

Un danger particulier guette tout nageur ou plongeur opérant en écluse, barrage, centrale hydroélectrique, batardeau, proximité d'une pompe, d'une vanne, d'une hélice, ou d'une conduite immergée présentant un différentiel de pression (Δp = ρ_liq .g.Δh). Février 1983 un plongeur rejoint quatre plongeurs travaillant dans une chambre hyperbare clampée sur un pipe de 30 pouces (76 cm) raccordé à une section montante en « T » obturée par un boudin pneumatique ; la pression absolue est de 1,45 bar, ce qui correspond à 4,5 mètres de hauteur d'eau. Un des plongeurs, pour une raison ignorée, dégonfle le boudin, un Δp s'en suit immédiatement, les 5 plongeurs sont aspirés dans le pipeline ! Un seul survivra. En cause, l'effet vortex ou renard hydraulique : « un tourbillon creux (remous à vitesse angulaire) prend naissance sous certaines conditions dans un fluide en écoulement qui attire les corps soumis à son action ».

Voici une explication qui prend en compte le principe de la conservation de l'énergie, la vitesse, les pressions et la hauteur d'eau. Si un lecteur a mieux, je suis preneur. S'agissant d'un travail accompli par une différence de pression, on peut passer directement à une application pratique. Vitesse d'écoulement de l'eau d = 1 (il s'agit d'un même fluide), orifice d'un diamètre de 2 centimètres avec un niveau situé à 5 mètres au-dessus du centre T. La vitesse est donc de 9,9 m/sec (√2.9,81.500), soit un débit de 62,5 litres/min (π.d.T² / 4. v2 ≈ 60 π litres/minute. Voyons l'analogie avec une ventouse. C'est la différence de pression qui produit une force et non la pression. Le Δp = f / s correspond à la différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur de la ventouse, et la force est égale à la surface : p = f / s soit F = p.s. Une correction, une précision, une remarque ?

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