Bassin de compensation de Fionnay – Etude numérique de

Bassin de compensation de Fionnay – Etude
numérique de fonctionnement en situation de
crue 2009/2010
Michael Müller
Client: HYDRO Exploitation SA
Introduction et objectifs de l’étude
L’usine de Fionnay (altitude 1490 m s.m.) turbine l’eau du
barrage de la Grande Dixence. Cette eau est récoltée dans
le bassin de compensation de Fionnay. Environ 8 km à
l’amont de Fionnay les eaux de la Dranse de Bagnes sont
retenues dans le lac de Mauvoisin qui fait partie de
l’aménagement hydroélectrique exploité par les Forces
Motrices de Mauvoisin (FMM) SA. Le régime de la Dranse
est alors contrôlé par le captage et par les ouvrages de
dotation et d’évacuation du barrage. En cas de crue,
l’exploitation du bassin de compensation de Fionnay dépend
essentiellement de la stratégie d’urgence des FMM SA. Le
fonctionnement des évacuateurs de crue du barrage de
Mauvoisin détermine alors les apports qui doivent être gérés
par le système d’évacuation du bassin de compensation de
Fionnay. Ce dernier est constitué de six siphons à amorçage
automatique, d’une vidange de fond équipée d’une vanne
vantail et de deux vannes explosables. Ce portail de
dérivation est relié à une galerie dont la sortie est à l’air libre
(Figure 1). En situation de crue, le système complexe
d’évacuation doit fonctionner selon une consigne
d’exploitation qu’il s’agit d’optimiser.
Simulation numérique
La deuxième étape de l’étude a été consacrée à la
simulation de l’ensemble du système et des scénarios de
fonctionnement opérationnel en crue à l’aide du code
RoutingSystem II. Les simulations ont démontré qu'il est
indispensable d'utiliser la vanne de fond comme premier
moyen d'évacuation. Les siphons imposent un processus
d'enclenchement-déclenchement répétitif pour les débits
entrant inférieurs à leur capacité, ce qu’il faudrait d’éviter. La
capacité de la vanne de fond est fonction du niveau du
bassin, mais également du degré et du temps d'ouverture
de la vanne. Par conséquent, le réglage optimal par cet
organe a été cherché de manière itérative en introduisant
une série temporelle du débit évacué à chaque itération.
Des consignes d’exploitation ont été élaborées, basées sur
l’analyse des niveaux critiques et des gradients de montée
du bassin pour différents débits excédentaires (Figure 2).
Cette courbe ainsi que la loi ouverture-débit permettent à
l’exploitant de définir l'utilisation de la vanne de fond.
Augmentation du
plan d'eau Δh [cm]
250
δ = 18 cm/min
200
Niveau d'enclenchement des
siphons (1486.15 m s.m.)
150
δ = 1.8 cm/min
100
Niveau d'exploitation normal (1484.50 m s.m.)
0
0
20
40
ΔQ=10 m3/s
1486.00
Niveau d'enclenchement de la
vanne de fond (1485.50 m s.m.)
50
Aération de
la purge
Siphons
Côte de danger
(couronnement, 1486.65 m s.m.)
δ = 4.5 cm/min
δ = 9 cm/min
60
80
Temps [min]
ΔQ=25 m3/s
ΔQ=50 m3/s
100
120
ΔQ=100 m3/s
Figure 2: Niveaux critiques et gradients de montée du bassin de
compensation de Fionnay
1480.00
Route LourtierFionnay
1464.00
Vidange FMM et
égout de Fionnay
1442.00
5.85
Vanne vantail
Figure 1: Plan de situation de l'ouvrage de dérivation
Fonctionnement hydraulique
Dans une première étape d’étude, le fonctionnement
hydraulique des différents organes d'évacuation a été
analysé selon une approche théorique. Basées sur des
formules issues de la littérature, des relations niveau-débit
ont été établies pour les trois éléments du portail de
dérivation. L’ensemble du système d’évacuation du bassin
de compensation de Fionnay est capable d’évacuer un débit
maximal de 500 m3/s et devrait permettre le passage de la
crue de déluge considérée par FMM (Qmax = 300 m3/s) sans
que la sécurité des ouvrages ne soit mise en danger.
Les passes explosables peuvent être considérées comme
organes "de sécurité" permettant d'évacuer presque
160 m3/s chacune mais ne doivent être ouvertes que dans
des cas d'urgence. L'ouverture d'une ou deux vannes
permet de faire passer des débits très importants, mais
provoque une vidange complète du bassin et un arrêt de
fonctionnement de l'usine de Fionnay. De plus, elle entraine
une augmentation brusque du débit aval dont les
conséquences devraient être étudiées plus en détail.
Dans le cas du scénario catastrophe (crue de sécurité), les
trois organes sont nécessaires pour évacuer le débit
provenant des évacuateurs de crue FMM. Ce scénario
demande donc l'ouverture d'une passe explosable et est
suivi d'une vidange complète du bassin de compensation
(Figure 3). La condition "N-1" requise pour garantir le
passage du débit maximal en cas de non-fonctionnement de
l’organe de réglage le plus capacitif (vanne de fond) est
satisfaite par la possibilité de faire sauter les deux passes
explosables et d’assurer ainsi une capacité résiduelle
d’environ 370 m3/s. Dans le cas de quatre scénarios de
crues historiques et sept scénarios de crues centennales,
des manœuvres simples de la vanne de fond permettent de
suivre les hydrogrammes entrant sans que le niveau
d'enclenchement des siphons ne soit atteint. Des variations
brusques de débit à l'aval du portail peuvent donc être
évitées.
Débit [m3/s]
350
Côte de danger (couronnement, 1486.65 m s.m.)
Niveau Bassin de
Fionnay [m s.m.]
1488
Niveau normal d'exploitation (1484.50 m s.m.)
300
1484
250
1480
200
1476
150
1472
100
1468
50
0
01.06.2000 00:00
Débit lâché Dranse (amont Fionnay)
1464
Temps
02.06.2000 00:00
Débit lâché Dranse (aval portail BC)
Niveau BC Fionnay
Figure 3: Niveau du plan d'eau et hydrogrammes à l'amont et à
l'aval du bassin de Fionnay dans la situation de crue de sécurité
Fiche technique Bassin de compensation de Fionnay – Etude numérique de fonctionnement en situation de crue, MM / 10-06-2010