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N° 1047 N° 454
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ASSEMBLÉE NATIONALE SÉNAT
CONSTITUTION DU 4 OCTOBRE 1958
TREIZIÈME LÉGISLATURE SESSION EXTRAORDINAIRE DE 2007 - 2008
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Enregistré à la présidence de l’Assemblée nationale Annexe au procès-verbal
Le 9 juillet 2008 de la séance du 9 juillet 2008
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OFFICE PARLEMENTAIRE D'ÉVALUATION
DES CHOIX SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES
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sur l’amélioration de la sécurité des barrages et ouvrages hydrauliques
Par M. Christian Kert
Député
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Déposé sur le Bureau de l'Assemblée nationale Déposé sur le Bureau du Sénat
par M. Claude BIRRAUX, par M. Henri REVOL,
Président de l'Office Premier Vice-Président de l'Office
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Composition de l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques
Président
M. Claude BiRRAUX
Premier Vice-Président
M. Henri REVOL
Vice-Présidents
M. Claude GATIGNOL, député M. Jean-Claude ÉTIENNE, sénateur
M. Pierre LASBORDES, député M. Pierre LAFFITTE, sénateur
M. Jean-Yves LE DÉAUT, député M. Claude SAUNIER, sénateur
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DÉputés |
SÉnateurs |
M. Christian BATAILLE M. Claude BIRRAUX M. Jean-Pierre BRARD M. Alain CLAEYS M. Pierre COHEN M. Jean-Pierre DOOR Mme Geneviève FIORASO M. Claude GATIGNOL M. Alain GEST M. François GOULARD M. Christian KERT M. Pierre LASBORDES M. Jean-Yves LE DÉAUT M. Michel LEJEUNE M. Claude LETEURTRE Mme Bérengère POLETTI M. Jean-Louis TOURAINE M. Jean-Sébastien VIALATTE |
M. Philippe ARNAUD M. Paul BLANC Mme Marie-Christine BLANDIN Mme Brigitte BOUT M. Marcel-Pierre CLÉACH M. Roland COURTEAU M. Jean-Claude ÉTIENNE M. Christian GAUDIN M. Pierre LAFFITTE M. Serge LAGAUCHE M. Jean-François LE GRAND Mme Catherine PROCACCIA M. Daniel RAOUL M. Ivan RENAR M. Henri REVOL M. Claude SAUNIER M. Bruno SIDO M. Alain VASSELLE |
chapitre premier : Le patrimoine 13
b) Les barrages à contreforts 16
a) La production d'énergie électrique 26
b) L'alimentation en eau potable 26
c) L’irrigation des terres agricoles 26
d) L'alimentation des canaux de navigation. 27
f) Le tourisme et les loisirs aquatiques 27
g) La protection contre les crues. 27
h) Les canaux de navigation ou d’amenée d’eau. 27
i) L'alimentation des canons à neige 27
j) La décantation et/ou le stockage de résidus miniers ou industriels; la régulation des rejets. 27
1) Comment surveille-t-on un barrage ? 40
2) La nouvelle classification française des digues et barrages 45
a) L’inspection des ouvrages 47
b) Auscultation des barrages 49
c) Contrôle de la fonctionnalité des organes d'évacuation 50
d) L'auscultation en lien avec la métrologie 58
h) Principes de mesure en surveillance des barrages 60
Chapitre 2 : Les missions de votre rapporteur 63
a) Le barrage de Sainte Croix : un exemple de grande retenue en zone de montage 72
b) Les barrages du Rhin : barrages au fil de l’eau 75
a) Des besoins spécifiques aux digues 101
b) Historique du projet "SIRS digues" 102
c) Les associations de gestion des digues de grands fleuves 103
a) La mine de DAMREC Glomel 113
b) Les barrages de Cotillon 115
Chapitre 3 : Les barrages et ouvrages hydrauliques face aux risques naturels 119
1) Le point de vue français 119
2) Les travaux du Comité technique « aspects sismiques des projets de barrages » de la CIGB 120
Chapitre 4 : La recherche en matière de barrages et digues 127
b) Des innovations techniques expérimentales, en France, au barrage de Puylaurent 135
a) L’alcali-réaction, maladie du Chambon 138
b) La réaction sulfatique interne (RSI), maladie de Bimont 141
CHAPITRE 5 : LA REGLEMENTATION EST ELLE SUFFISANTE ? 143
I - L'enquete dans les grands pays de barrages 143
ii - LA LOI EST UNIQUE, MAIS L'APPLICATION EST LOCALE. 143
iii – L’APPLICATION DU DECRET DE DECEMBRE 2007 ET SES dÉfauts 144
Lorsque votre rapporteur a présenté devant les membres de l’Office son étude de faisabilité, il avait précisé avoir hésité à conclure à l’utilité de ce rapport. En effet, un certain nombre d’éléments, règlementaires ou techniques, venaient actualiser un dossier « sécurité des barrages » et semblaient répondre aux besoins alors exprimés, notamment par un rapport interne d’ingénieurs EDF, repris largement par le magazine « Capital ».
Aujourd’hui, votre rapporteur ne regrette pas d’avoir proposé à l’Office Parlementaire de poursuivre l’étude et d’en amplifier son périmètre. En effet, si les grands barrages hydroélectriques français posent moins de problèmes cruciaux et immédiats qu’il n’y paraissait en première analyse – et le projet de rénovation du patrimoine hydraulique « Sûreté et Performance de l’hydraulique » que nous appellerons dans la suite du rapport « plan SuPerHydro », voulu par la direction d’EDF, participe à cet « apaisement » - les petits barrages notamment, et un certain nombre de digues à travers la France, malgré une règlementation plus contraignante depuis le décret de décembre 2007 , ne répondent que très partiellement aux critères de maintenance et de sécurité que l’on pourrait attendre de tels ouvrages.
Quelques chiffres introductifs pour situer l’importance du sujet en France, un pays riche en barrages et digues. Soumis à une règlementation copiée par de nombreux pays à travers le monde mais dont l’application demeure imparfaite :
Le parc français des barrages a été récemment évalué : 744 ouvrages de plus de 10 mètres de haut et plusieurs milliers d’ouvrages de taille inférieure ! On dénombre 296 barrages de plus de 20 mètres de haut et 448 barrages compris entre 10 et 20 mètres. Parmi ces 296 barrages, il convient encore de distinguer les 99 ouvrages – dont 25 non hydroélectriques – ayant plus de 20 mètres de hauteur et une capacité de stockage supérieure à 15 millions de mètres cubes.
Au regard de l’énergie destructrice libérée en cas de rupture et des enjeux humains et économiques situés à l’aval, ces ouvrages nécessitent un entretien, une surveillance et un contrôle rigoureux.
La probabilité de rupture d’un barrage peut être considérée comme relativement faible, mais ce risque ne peut être négligé au regard des conséquences potentielles d’un tel évènement. Au cours du dernier siècle, on estime que près de 1% des grands barrages se sont rompus, dont celui de Malpasset à Fréjus, le 2 décembre 1959, qui fit 423 victimes. Depuis cette date, la politique de sécurité des barrages en France a été essentiellement fondée, d’une part sur un contrôle individuel par l’administration des plus hauts barrages (plus de 20 m) et des barrages intéressant particulièrement la sécurité publique et, d’autre part sur la responsabilisation des maîtres d’ouvrages.
Votre rapporteur s’est donc donné pour mission d’étudier les conditions dans lesquelles l’Etat a organisé et fait exécuter le contrôle de la sécurité des barrages. Il est allé visiter quelques uns des plus grands barrages français, a rencontré les propriétaires, les concessionnaires de ces ouvrages, examiné avec des agents des DRIRE – en charge de ces opérations – quel était le chemin parcouru par les contrôleurs. Et puis, chemins de visite faisant, il est allé sillonner les routes plus étroites qui conduisent aux petits barrages, cette myriade d’ouvrages, parfois perdus au fond d’une vallée dont on ne se souvient plus toujours bien qui les a réalisés et, a fortiori, qui se sent responsable de leur maintenance.
Avec les agents des Directions Départementales de l’Agriculture et des Forêts, il a arpenté des digues, rencontré ces maires de communes responsables de micro ouvrages mais financièrement incapables de faire face aux travaux nécessaires à la consolidation d’un ouvrage à risque. Bien entendu, le lecteur ne se trouve plus là dans une problématique de type Malpasset. Il n’en demeure pas moins que tel ouvrage vieillissant au bas duquel on a laissé s’implanter un camping, c’est un danger. De la même façon que ne pas prévoir, aménager, restaurer des digues de cours d’eau rebelles et dont on sait que leurs crues sont dangereuses, c’est aussi un problème.
Question de moyens ? Certes. Mais pas uniquement. Question de volonté aussi. Question d’éducation à la prévention.
Un décret récent, décembre 2007, vient mettre de l’ordre dans le foisonnement. Désormais, les ouvrages doivent être recensés d’après 4 classes dont les critères sont déterminés par un savant calcul qui tient compte de la hauteur, de l’importance de la retenue et de quelques autres paramètres dont votre rapporteur regrette que l’environnement immédiat des ouvrages n’y prenne pas une place plus importante.
Si l’ordre administratif règne désormais, sur le « terrain » certains évoquent les difficultés d’application, notamment avec la dernière classe, la D, dont on peut redouter qu’elle soit le « fourre tout » des ouvrages. Malgré l’extrême jeunesse de ce texte, né durant l’élaboration de ce rapport, il a donc fallu à votre rapporteur « revisité » sa mise en œuvre et ses premières applications. Et ce qui n’est déjà pas aisé avec les barrages l’est moins encore avec les digues.
Et puis, il est essentiel pour un tel rapport de se persuader que, malgré surveillance et contrôle, un barrage est un ouvrage à risque. Il peut affronter :
• des crues, ce qui implique pour des ouvrages en béton de dimensionner l’ouvrage pour une crue millénaire et pour les ouvrages en remblai de terre pour une crue déca millénaire ;
• des accidents de terrain, mouvements ou glissements : le problème de l’ancrage du barrage reste particulièrement sensible en fonction de la nature de la roche ;
• des séismes, le séisme de référence étant de 3,5 degrés de magnitude. Et votre rapporteur, élu d’une région sismique, auteur pour l’Office Parlementaire, d’un rapport sur la prévention sismique, est particulièrement sensibilisé à cette problématique.
Un barrage, on le verra dans le rapport peut également affronter le vieillissement des bétons et celui des organes métalliques. Ce sont d’ailleurs ces périls là que les ingénieurs EDF avaient voulu principalement stigmatiser.
Le lecteur sentira à ces propos que plus, que l’urgence pointée sur tel ou tel barrage signalé, ce rapport se donne pour vocation l’expertise de la très grande diversité des ouvrages réalisés et exploités. Ce rapport s’impose également par la nécessité d’homogénéiser les méthodes de contrôle et de surveillance et la formation des acteurs de ces contrôles.
Imaginons également que les transformations du climat qui opèrent une véritable surenchère de la valeur « eau » conduiront cette étude à envisager les choix à effectuer pour permettre que les retenues répondent à la demande croissante en besoins en eau ; des besoins qui pourraient nécessiter une politique plus active de « stockage » et conduire à des choix nouveaux. Sur ces chemins là, le rapporteur croisera à nouveau Météo France et ses services d’alerte.
Notons à cet égard que l’un des trois seuls déplacements à l’étranger, avec celui en Suisse et celui à Sofia, le déplacement au Maroc, a permis de juger de l’importance de cette valeur « eau » et de ce qu’elle implique dans un pays aussi exposé aux déficits hydriques ; chaque année le Maroc construit, en moyenne, deux grands barrages, ce qui est considérable ; et les techniques adoptées pour assurer leur sécurité, si elles s’inspirent pour partie des nôtres, méritent également notre attention, notamment lorsqu’il s’agit de rehausser un grand ouvrage.
La mise en sécurité des barrages aura ainsi conduit le rapporteur – et son lecteur – à une réflexion d’ensemble sur la politique de prévention à un risque technologique particulier, mais commune néanmoins à quantité d’ouvrages bâtis. Puisse l’actualité de ce sujet avoir valeur d’exemple.
CHAPITRE PREMIER :
LE PATRIMOINE
Il y a en France aujourd'hui 744 barrages dont la hauteur est supérieure à 10 m et des milliers dont la hauteur est comprise entre 2 m et 10 mètres. Il en est de même pour les digues dont le recensement non exhaustif laisse prévoir des milliers de kilomètres, de la simple digue de retenue d’un ruisseau à celles des grands fleuves, canalisés ou non. Comme dans tous les pays, les barrages ont diverses vocations : hydroélectricité, eau potable, soutien d'étiage, irrigation, écrêtement des crues, navigation, tourisme. Suivant leur classement, et leur concession ou non, ces barrages relèvent en matière de sécurité d’autorités différentes. Parmi les barrages hydroélectriques, on peut distinguer les barrages concédés lorsque la puissance dépasse 4 500 kW, leur contrôle étant alors du ressort du ministère chargé de l’énergie, et les barrages hydroélectriques non concédés ainsi que tous les autres qui, par contre, relèvent de la loi sur l'eau, avec un régime d'autorisation après enquête ou un régime de déclaration pour les très petits barrages, soumis au contrôle des services du ministère ayant en charge la police de l’eau. Au gré des gouvernements, les autorités de tutelle ont pu être le ministère de l’industrie, le ministère de l’environnement, le ministère de l’agriculture. Ceci complexifie encore la vision que nous pouvons avoir de la surveillance des barrages. Cependant, avec les réformes en cours, dans l’actuel gouvernement, une réorganisation des services permet le transfert du contrôle des barrages au seul ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement durable et de l’Aménagement du territoire (MEEDDAT)
Un barrage est un « ouvrage artificiel coupant le lit d’un cours d’eau et servant soit à en assurer la régulation, soit à pourvoir à l’alimentation en eau des villes ou à l’irrigation des cultures, ou bien à produire de l’énergie" et une digue est un "ouvrage destiné à contenir les eaux, à élever leur niveau ou à guider leur cours. »
Ces termes de barrages et de digues ne sont pas sans ambiguïté ; le terme de digue est parfois utilisé pour de petits barrages réalisés en remblai. Les berges des canaux ou cours d’eau canalisés peuvent constituer des digues parfois assez hautes. Par ailleurs, il n’y pas de seuils uniformes caractérisant ces ouvrages, ce qui crée une large incertitude pour définir l’ensemble des ouvrages concernés par ce rapport.
Si les barrages sont généralement construits en barrant un cours d’eau, il existe également des ouvrages construits pour stocker de l'eau de ruissellement d'un talweg en créant une « retenue collinaire » ainsi que des ouvrages situés hors d'un lit majeur, et se remplissant par pompage ou par dérivation d'un cours d'eau. En principe, un barrage n'est jamais noyé ou a été conçu pour le rester ; ce n'est pas le cas des seuils qui peuvent être noyés ou dénoyés selon le débit de la rivière ou des digues, dont on dit alors qu’elles sont des digues submersibles.
Il existe des ouvrages qui sont prévus pour rester secs la plupart du temps, comme les ouvrages d'écrêtement des crues ou les digues de protection contre les crues. Ces ouvrages présentent néanmoins des risques ; mais un « talus » routier ou ferroviaire est "autre chose" qu'un barrage ou une digue.
On peut distinguer les ouvrages soit par type de construction soit par usage principal, bien que de nombreux ouvrages soient à vocation multiple.
On considère qu'il existe deux grandes familles de barrages : les barrages "voûte"et les barrages "poids". Les barrages en remblai sont des ouvrages "poids" bien particuliers.
Il s'agit de faire reporter sur les flancs de la vallée barrée, tout ou partie des efforts dus à la poussée de l'eau.
Ces ouvrages sont de conception plus récente ; les voûtes peuvent être plus ou moins minces. On citera également dans cette famille, les barrages à voûtes multiples dont les poussées des voûtes intermédiaires sont reprises par des contreforts.
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Les barrages-voûtes sont des barrages généralement en béton dont la forme courbe permet un report des efforts de poussée de l’eau sur les rives rocheuses de la vallée. L'utilisation de l'effet d'arc bien connu des constructeurs de cathédrales est plutôt récent dans le domaine des barrages (encore qu'on en trouve des applications dès le XIIIème siècle en Iran ainsi que, sous une forme plus rustique, par les Romains). La réalisation d'une voûte est certainement la façon d'utiliser au mieux les capacités du béton à supporter les efforts de compression, de diminuer le volume du matériau à mettre en oeuvre.
Les barrages-poids-voûtes sont des barrages-poids dont la forme nettement arquée rend possible la création d'un véritable effet voûte et donc un report des efforts sur les appuis latéraux. Ce type de barrages convient bien lorsque la topographie permet de fermer la vallée par une forme arquée de longueur réduite sans pour autant avoir une qualité de rocher en fondation suffisante pour admettre des sollicitations ponctuelles fortes de type encastrement. Il s'agit en général de barrages construits dans la première moitié du XXèmesiècle. Le parement amont est en général vertical de manière à simplifier les coffrages.
Source :BETCGB
Le parement aval est souvent incliné mais il peut se présenter sous forme de marches d'escalier superposées pour simplifier l'exécution.
Précédées par des voûtes d'une trentaine de mètres de haut dans les années 1920, les grandes voûtes minces ont fait leur apparition au milieu du XXème siècle. Grâce à des méthodes et des moyens de calculs plus puissants, les formes se sont allégées de manière à économiser de la matière et à faire travailler la structure au maximum de ses possibilités. Les arcs circulaires sont devenus paraboliques, elliptiques ou en spirales logarithmiques. Les parements à double courbure ont été généralisés.
Les projeteurs ont poursuivi dans cette direction jusqu'à connaître les premiers déboires : fissuration de grandes voûtes trop minces, eu égard à leur fondation rocheuse très rigide, rupture de la voûte de Malpasset pour des raisons autres, géologiques notamment. Ils sont alors revenus à des formes moins allégées mais garantissant des coefficients de sécurité plus confortables.
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Les barrages-voûtes sont construits par plots indépendants. Ceux-ci sont clavés en fin de construction de manière à rendre la voûte monolithique et à solliciter lors de la mise en eau à la fois les arcs et les consoles que sont les plots de construction. La stabilité de ces barrages dépend essentiellement de la capacité (de résistance, de rigidité) de leur fondation à supporter des efforts concentrés au droit des appuis, efforts liés à l'encastrement de la structure, à la poussée des arcs, mais aussi, pour les voûtes minces, aux fortes sollicitations hydrauliques dues à la finesse de la structure.
La présence de culées peut toutefois permettre un report plus aisé des efforts sur les rives.
Un barrage à contreforts comprend :
- une série de murs parallèles, généralement de forme triangulaire, plus ou moins épais et plus ou moins espacés (les contreforts) ;
- une bouchure entre contreforts transmettant à ceux-ci la poussée de l'eau.
La bouchure peut être constituée :
- d'une dalle plane en béton ;
- d'un élargissement du contrefort vers l'amont ;
- d'une voûte de faible portée.
Le nombre de contreforts peut varier de quelques unités pour les plus grands d'entre eux (barrage de Grandval ou de Calacuccia), à plusieurs dizaines comme sur les barrages de la Girotte, de Roselend et sur les barrages de type Considère (Vezins ou Rophémel).
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Source : BETCGB
Pour ces derniers, l'audace des constructeurs est allée jusqu'à réduire l'épaisseur des voûtelettes à quelques dizaines de centimètres, nécessitant le recours au béton armé. Cette épaisseur augmente un peu en partie basse mais demeure réduite à l'approche de la fondation
Les parements amont sont en général fortement inclinés de manière à transmettre directement au pied des contreforts et donc à la fondation rocheuse une partie de la poussée de l’eau sur le parement amont.
Les barrages à contreforts sont bien adaptés aux vallées larges avec une fondation rocheuse de bonne qualité.
Il s'agit de barrer un cours d'eau par un obstacle qui résistera par sa géométrie et son poids à un certain nombre d'actions qui tendent à le faire basculer et/ou à le faire glisser. Il sont généralement réalisés en maçonnerie ou en béton.
Ces ouvrages sont étanches "dans la masse". Cependant les barrages en maçonnerie peuvent, avec le temps, nécessiter des étanchéités complémentaires.
Barrage de Sarrans - source : EDF division Production Ingénierie
Barrage poids en béton
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construction 1929 – 1934 hauteur : 105 m longueur : 225 m épaisseur : 75 m à la base |
La stabilité des barrages-poids sous l'effet de la poussée de l'eau est assurée par le poids du matériau. Ces ouvrages peuvent être en maçonnerie ou en béton, en maçonnerie hourdée à la chaux pour les plus anciens, en béton compacté au rouleau pour les plus récents. Ce type de barrage convient bien pour des vallées larges ayant une fondation rocheuse. Ils sont souvent découpés en plots à la construction, l'étanchéité entre plots étant assurée par un dispositif placé à l'amont des joints.
Les formes sont diverses, forme rectangulaire simple pour les plus petits, forme triangulaire de façon classique, formes audacieuses plus élancées dans la partie supérieure à la fois pour des raisons architecturales et de quantité de matériau mis en oeuvre. Au siècle dernier, les maîtres d'oeuvre ont cherché à économiser de la matière en raidissant progressivement les parements. Ils ont donné une forme légèrement courbe au tracé en plan du barrage, de manière à permettre les mouvements de la structure en évitant l'ouverture des joints, notamment en hiver.
Les ruptures successives du barrage de Bouzey ont amené les constructeurs à plus de prudence en mettant en évidence le rôle joué par les sous-pressions, tant dans les fondations que dans le corps du barrage. Les formes les plus fréquentes des barrages-poids modernes sont des profils triangulaires qui se redressent en partie supérieure pour supporter la route de couronnement. Le parement amont est souvent vertical ou avec un fruit très faible.
On peut distinguer les barrages pour lesquels les fonctions poids et étanchéité sont assurées de manière conjointe, comme les barrages en maçonnerie "homogène" (bien que le parement amont soit souvent mieux appareillé et/ou recouvert d'un enduit), et ceux pour lesquels les deux fonctions sont parfaitement séparées : barrage-poids à masque amont du type Lévy, barrage-poids en béton compacté au rouleau (BCR) avec membrane d'étanchéité ou masque amont.
La stabilité des barrages-poids repose essentiellement sur leur fruit et, si nécessaire, sur l'efficacité du drainage qui met le massif poids à l'abri des sous-pressions. Leur inconvénient majeur est de ne pas utiliser pleinement les capacités du matériau constituant la partie résistante du barrage (maçonnerie ou béton) à supporter des efforts importants de compression. Il est donc venu rapidement à l'idée des projeteurs de supprimer du béton superflu en allégeant la structure, en créant des arcades ou des niches sur le parement aval, en réduisant la surface d'assise au sol. Lorsque ces élégissements descendent jusqu'à la fondation, il en résulte une augmentation des contraintes appliquées au sol de fondation. Mais la réduction de la surface d'assise se traduit par un meilleur drainage de ce contact. Les sous-pressions dangereuses pour la stabilité de l'ouvrage sont alors limitées. Pour certains barrages en rivière, les vannes représentent une part importante du parement amont. La structure résistante est alors limitée au socle d'assise et aux contreforts entre vannes
ü Les barrages à masque amont
L’étanchéité de ces barrages est assurée soit en matériau imperméable soit par un matériel étanche posé sur leur talus amont "les masques". On parle de barrages en enrochement à masque amont. Les masques peuvent être de nature très différente: béton armé, matériel bitumineux, "bâche" et même tôle d'acier.
Source : BETCGB
Le masque qui constitue l’organe d’étanchéité amont est classiquement réalisé en béton, avec des produits bitumineux ou encore au moyen d’une géomembrane. Son épaisseur est limitée, ce qui lui permet de s'adapter aux déformations faibles mais inévitables du massif support (les géomembranes peuvent même accepter des déformations importantes). La présence du masque en parement amont présente le double avantage de permettre des réparations en cas de dégradation du masque, mais aussi d'autoriser des vidanges de retenue très rapides.
Le corps du barrage assurant la stabilité peut être en matériau quelconque pour autant qu'il soit peu déformable. De nombreux barrages à masque sont réalisés en enrochements. La qualité du compactage lors de la mise en oeuvre du matériau a une grande influence sur les déformations et tassements ultérieurs.
Pour améliorer la sécurité du barrage, il n'est pas rare de trouver dans les barrages à masque d'autres matériaux fonctionnels :
- un matériau de réglage ou de transition servant de support à l'étanchéité mince et la mettant à l'abri de tout poinçonnement par des éléments grossiers du massif support ;
- une cheminée drainante, un tapis drainant ou les deux pour évacuer les infiltrations éventuelles à travers le masque ;
- des matériaux de protection soit du parement aval (terre végétale engazonnée, enrochements, maçonnerie de pierre sèches, ...) soit du masque d'étanchéité comme des dalles de protection ou des pavés autobloquants mettant l'étanchéité mince à l'abri des agressions extérieures telles que la glace, les projectiles ou les chutes de blocs.
ü Les barrages mixtes
L'ingéniosité des bâtisseurs de barrages et leur souci constant de s'adapter au mieux aux conditions particulières du site expliquent l'existence d'ouvrages hybrides pouvant comporter plusieurs parties rattachées à l'un des grands types indiqués ci-dessus.
C'est par exemple le cas du barrage de Roselend constitué d'une grande voûte complétée par des parties en contreforts (ci-après).
Source : EDF division Production Ingénierie
Barrage mixte
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construction 1957 – 1962 hauteur : 150 m (voûte) longueur : 804 m épaisseur : 22 m à la base de la voûte |
ü Les barrages zonés
Source : BETCGB
Les barrages zonés, comme le barrage de Serre-Ponçon, sont des barrages en remblai constitués de plusieurs types des matériaux disposés de façon à assurer séparément les fonctions de stabilité du barrage et d’étanchéité. Le découpage du corps du barrage en matériaux différents est appelé zonage. Il permet de faire de grandes économies dans les volumes mis en oeuvre et d'utiliser au mieux les matériaux disponibles sur le site. Il existe autant de types de zonages que de barrages dans la mesure où chaque ouvrage est conçu en fonction des matériaux trouvés sur le site ou immédiatement à proximité. Les plus classiques comportent :
- un noyau d'étanchéité constitué de terres argileuses, d'argile, de terres caillouteuses ou tout autre matériau terreux comportant une forte proportion de matériaux fins lui conférant une faible perméabilité. Lorsque ce matériau est introuvable sur le site, on peut avoir recours à des matériaux de substitution tels qu'une paroi moulée ou bien une superposition de couches de béton bitumineux ou d'asphalte ;
- une recharge amont en matériau drainant assurant la stabilité amont même après une vidange rapide ;
- une recharge aval stabilisatrice en matériau peu déformable ;
- une protection amont en enrochements, dalles ou autres dispositifs ;
- un drain interposé entre le noyau et la recharge aval, si celle-ci n'est pas suffisamment perméable, pour évacuer sans pression les écoulements parvenus sur la face aval du noyau ;
- des matériaux de transition (filtres) entre ces différents massifs lorsque leurs granulométries respectives le justifient de manière à éviter toute érosion interne par entraînement de particules d'un matériau vers le matériau adjacent.
Exemple de barrage en remblai : GRAND'MAISON
Source : EDF division Production Ingénierie
Digue en terre à noyau argileux
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construction : 1981 – 1984 hauteur : 160 m longueur : 550 m épaisseur : 550 m la base |
ü Les barrages en terre
Les ouvrages en "matériaux terreux" ne peuvent résister ni à la submersion ni à la traversée de leur corps par l'eau. Ainsi l'eau doit être captée par des drains à l'intérieur de l'ouvrage avant son débouché sur le parement aval. Les drains sont protéges des entraînements terreux par des filtres. Un débouché d'eau sur un parement aval s'appelle un renard. L'apparition d'un renard est la conséquence de désordres internes de l'ouvrage et entraîne, sans mesures immédiates adaptées, la ruine rapide de l'ouvrage. Dans certains ouvrages, l’étanchéité est assurée par un noyau central en argile.
ü Les barrages en terre homogène
Source : BETCGB
Les barrages en terre homogène sont des digues en remblai constituées d'un seul matériau meuble suffisamment imperméable pour assurer à la fois l'étanchéité et la résistance. La terre est généralement mise en place par compactage. La plupart des barrages français très anciens, dont beaucoup servent à l'alimentation en eau des canaux, sont de ce type.
La structure des barrages est souvent complétée par des dispositifs de drainage tels que :
- une butée aval drainante ;
- un tapis drainant sous le tiers ou la moitié aval ;
- une cheminée drainante communiquant avec l'aval par un tapis ou des bretelles.
Des protections peuvent être disposées sur les faces extérieures : enrochements ou rip-rap sur le parement amont pour éviter l'érosion due aux vagues, terre végétale engazonnée ou enrochements sur le parement aval pour stabiliser la terre vis-à-vis du ruissellement de la pluie.
Ce type de barrages est bien adapté aux sites ayant une fondation déformable. De conception rustique, ils ont une grande emprise au sol, n'engendrent que peu de contraintes, s'accompagnent en fondation de faibles gradients d'écoulement et peuvent accepter des tassements de la fondation. Par contre, ils ne supportent pas bien les variations rapides du plan d'eau et ne supportent pas ou très peu la submersion par dessus la crête.
L'eau stockée derrière les barrages peut avoir de nombreux usages mais un ouvrage particulier avec ses vannes, a été souvent conçu pour répondre à un usage déterminé.
A chaque usage correspond une règle particulière de gestion de l'eau de la retenue. Dans ces conditions, une règle de gestion ne pourra pas satisfaire également, les buts multiples assignés avec le temps à des ouvrages. Certains usages sont même franchement incompatibles avec d'autres comme l'écrêtement des crues qui peut demander une retenue vide en tout temps ; le tourisme estival qui demande une retenue assez haute, etc.
On peut distinguer, sans exhaustivité, les finalités suivantes.
a) La production d'énergie électrique
Parmi les plus grands ouvrages, on peut citer le barrage de Tignes pour la hauteur (160 m) et pour le volume celui de Serre-Ponçon (1,2 milliard de m3) en France métropolitaine.
Il faut également citer les ouvrages au fil de l'eau comme ceux sur le Rhône et le Rhin, et les digues amont qui les accompagnent.
b) L'alimentation en eau potable
Les retenues pour l'alimentation en eau potable sont nombreuses là où les ressources en eau souterraines ne satisfont pas la demande: Massif armoricain, côte méditerranéenne, etc. On peut citer le barrage de Mervent dans le département de la Vendée (26 m de haut et 8,3 millions de m3).
c) L’irrigation des terres agricoles
Ce sont des ouvrages importants en particulier dans le sud de la France : ouvrages de la société du canal de Provence (SCP), de la compagnie des coteaux de Gascogne, etc.
On peut citer le barrage de Bimont de la SCP avec 86 m de hauteur, 180 m de longueur en crête et une capacité utile de 26 millions de m3 d'eau.
d) L'alimentation des canaux de navigation.
Il faut mentionner le barrage en maçonnerie de Saint Ferréol construit par Riquet au XVIIème siècle et pièce essentielle du canal du midi qu'il alimente en eau au point haut des deux bassins atlantique et méditerranéen.
e) La régularisation du débit des cours d'eau avec l'écrêtement des crues et le soutien des étiages.
Ce sont deux fonctions difficilement compatibles sur un même ouvrage.
On peut citer pour le soutien des étiages, le barrage de Mas-Chaban dans le département de la Charente avec 23 m de haut et 15,5 millions de m3de retenue.
f) Le tourisme et les loisirs aquatiques
Certains barrages ont été construits spécialement à cette fin mais c’est un usage "secondaire" important sur de nombreux ouvrages. C'est même l'usage qui a de plus en plus tendance à être considéré comme prioritaire pendant les quelques mois chauds de l'année à une période où les étiages sont les plus marqués et où les besoins d'eau pour tous les usages sont paroxysmiques : alimentation en eau potable, irrigation, soutien des étiages, dilution des pollutions thermiques, etc.
g) La protection contre les crues.
Le recensement de tous ces ouvrages n'est pas encore achevé. Leur longueur cumulée doit dépasser les quelques milliers de km.
h) Les canaux de navigation ou d’amenée d’eau.
Le fil de l'eau de ces ouvrages peut être au-dessus du terrain naturel et quelques fois à des hauteurs de plusieurs mètres. Ces ouvrages sont constitués par des digues
i) L'alimentation des canons à neige
Depuis quelques années, des réserves d’eau sont créées en altitude pour alimenter les canons à neige des stations de sports d’hiver. Les volumes stockés vont de quelques dizaines à une centaine de milliers de m3 et les hauteurs sont de l’ordre de la dizaine de mètres.
j) La décantation et/ou le stockage de résidus miniers ou industriels; la régulation des rejets.
Il existe dans des installations de mines et carrières, des bassins de décantation et/ou de stockage de résidus.
Il existe aussi des bassins de décantation importants dans certaines installations classées ; ces bassins peuvent contenir plusieurs centaines de milliers de m3 avec des digues d’une dizaine de mètres de haut.
Ainsi, les soudières près de Nancy gèrent des bassins de régulation de plusieurs millions de m3, pour réguler les rejets de chlorures dans la Meurthe.
Mais les stériles peuvent aussi avoir une origine agricole : c’est la cas des bassins de décantation des eaux issues du lavage des betteraves sucrières.
Les digues sont constituées des sédiments curés tous les ans et peuvent avoir des hauteurs de quelques dizaines de mètres au-dessus du sol.
III - LES ACCIDENTS LES PLUS GRAVES, DANS LE MONDE
DEPUIS LE XIXÈME SIÈCLE
Revenons un court instant sur ce que notre expert, M. Bernard Goguel, nous disait d’une voix contenant mal l’émotion :
« Malpasset 2 décembre 59, Vajont 9 octobre 1963 : deux coups de tonnerre dans l’ingénierie des barrages, deux voûtes minces.
La première, conçue par le grand ingénieur français André Coyne, trahie par sa fondation rive gauche où se sont conjugués divers phénomènes insoupçonnés à l’époque, mis en lumière par les développements de la Mécanique des Roches qui en reçoit un coup de fouet.
Catastrophe de Fréjus, balayée par les flots : 450 morts. J’avais 14 ans à l’époque, mon père fut l’expert géologue de la commission administrative d’enquête. La seconde, conçue par le grand ingénieur italien Carlo Semenza, 4 fois plus haute et record du monde à l’époque, a résisté à l’incroyable submersion d’une vague de 200 m de haut.
Mais Langarone, en dessous, a été rayée de la carte dans la nuit : 2000 morts, drame total. A posteriori, il y a de quoi être effaré par le comportement des ingénieurs italiens, de leurs donneurs d’ordres et de leurs autorités de contrôle. L’ampleur du glissement était connue depuis la première mise en eau partielle de 1960 qui l’avait mobilisé. Des travaux notables (galerie de dérivation du lac lorsqu’il serait bouché) avaient été effectués en 1961, la surveillance était constante, un creux de sécurité contre les vagues était admis. Mais nul n’a prévu la vitesse considérable soudain prise par la grande masse en reptation, venue d’un coup fermer la vallée et en expulser une partie du lac.
La sortie d’un film directement inspiré de ce drame m’a conduit à en revoir à fond le dossier disponible dans la littérature technique, et interroger des amis retraités experts dans les domaines concernés (Habib, Duffaut). Le développement de l’hypothèse Habib 1967 (vaporisation de l’eau le long de la surface de glissement) par Jean Goguel est un aspect qui me touche tout particulièrement ».
Nous reviendrons dans le chapitre des glissements de terrain sur cette catastrophe de Vajont
ü Les accidents les plus graves Entre 1959 et 1987, 30 accidents de rupture de barrages ont été recensés dans le monde, faisant 18 000 victimes. Seuls les accidents ayant causé plus de 100 morts sont répertoriés dans le tableau ci-dessous. Barrages Pays Date de rupture Hauteur du barrage (m) Volume de la retenue (hm3) Nombre de victimes Panshet Inde 1961 49 214 1 000 Sempor Indonésie 1967 60 56 200 Barrage en remblai, rupture durant la construction Dale Dyke Grande-Bretagne 1864 29 3,2 230 Barrage en remblai, rupture lors de la première mise en eau Iruhaike Japon 1868 28 18 1 200 Mill River États-Unis 1874 13 Inconnu 140 South Fork États-Unis 1889 21 18 2 200 Walnut Grove États-Unis 1890 33 11 129 Hyogiri Corée du Sud 1961 15 0,2 139 Nanak Sagar Inde 1967 16 210 100 Machu Inde 1979 26 101 2 000 Gotvan Iran 1980 22 Inconnu 200 Kantale Sri Lanka 1986 27 135 127 Barrage poids, rupture lors de la première mise en eau Puentes Espagne 1802 69 13 600 Saint Francis États-Unis 1928 62 47 450 Barrage poids, rupture en service Fergoug I Algérie 1881 33 30 200 Tigra Inde 1917 25 124 1 000 Malpasset France 1959 60 49 423 Khadakwasla Inde 1961 33 137 1 000 Barrage à contreforts et voûtes multiples Gleno Italie 1923 35 5 600 Vega de Terra Espagne 1959 33 7,3 140 Source : www.hydrocoop.org En considérant l'ensemble des ruptures postérieures à 1800 dans le monde, quelle que soit la hauteur du barrage, on compte 144 ruptures de barrage dont : • 71 sans victime • 31 avec moins de 10 morts • 17 avec 10 à 99 morts • 25 avec 100 morts et plus. Quelques photos de ruptures Rupture de barrage en béton. Le barrage de Shih-Kang (Taiwan, 1999)
Rupture de barrage en terre. Le barrage de Teton (Idaho, États-Unis, 1976) ü Le cas français Deux accidents ont marqué les esprits sur le territoire français. En avril 1895, la rupture du barrage de Bouzey (Vosges), d'une hauteur de 18 mètres, a fait 87 morts. Il s'agissait d'une rupture brusque, mais qui avait été précédée par l'apparition de fissures et de déformations importantes.
Rupture du barrage de Bouzey, en 1895 Les ruines et les dégâts Source : BETCGB |
En décembre 1959, le barrage de Malpasset (Var) d'une hauteur de 60 mètres cède, alors que des intempéries ont fait monter le niveau d'eau dans la retenue. Le barrage était implanté sur un bloc rocheux de grand volume reposant sur une faille ; la poussée de l'eau a déchaussé le bloc, qui est tombé vers l'aval. L'onde de submersion a atteint la ville de Fréjus située à une dizaine de kilomètres, avant de se jeter dans la mer. Il y aura 423 victimes et des dommages matériels importants : 155 immeubles détruits, 1 000 hectares de terres agricoles sinistrées, deux milliards de francs de dégâts.
Source : BETCGB
Source : BETCGB
Source : BETCGB
Ainsi que le décrivent Gérard DEGOUTTE et Paul ROYET dans la revue n°19 de l'AIGREF du 4èmc trimestre 2007, et que votre rapporteur vous livre ci après, le parc de barrages français est important et constitué en grande majorité de barrages anciens.
« La dernière rupture importante s'est produite il y a presque 50 ans et la précédente s'était produite un peu plus de 60 ans avant. Les leçons de ces accidents concernant des grands barrages ont été tirées, mais pour autant la vigilance doit rester constante. De plus, des ruptures de petits barrages sont parfois déplorées, plus fréquentes, même si les conséquences en restent minimes. La surveillance et le contrôle de tous ces ouvrages, petits et grands, sont donc un sujet important. Il est impératif de les mener pour chaque barrage avec toute la compétence nécessaire et en juste proportion de la taille de l'ouvrage. »
Vue d'ensemble de la retenue de la Verne. Le barrage, H = 42 m, 8 hm3,
dessert en eau potable la corniche des Maures
Source : AIGREF n°19
H ≥20 m et V ≥ 15 hm3 |
H≥ 20 m et V < 15 hm3 |
10 ≤ H ≤ 20 m et H2 |
10 ≤ H ≤ 20 m et H2 |
Total H ≥ 10 m | |
Barrages hydroélectriques concédés |
74 |
90 |
108 |
57 |
329 |
Barrages loi sur l'eau |
25 |
107 |
119 |
164 |
415 |
Total |
99 |
197 |
227 |
221 |
744 |
Le nombre de barrages de hauteur inférieure à 10 m est nettement plus important. Il est moins bien connu, surtout pour les barrages de hauteur inférieure à 5 m. À titre d'exemple, les directions départementales de l'agriculture et de la forêt ont recensé 1368 barrages non concédés pour le département du Tarn, 568 pour le Tarn et Garonne et plus de 2 850 pour le Gers. Dans ces trois départements du Sud-Ouest de la France, il s'agit essentiellement d'ouvrages en terre destinés au soutien d'étiage et à l'irrigation, dont 98 % sont de hauteur inférieure à 10 m.
Depuis les années 1990-2000, le rythme de construction des barrages s'est sérieusement ralenti, pour des raisons économiques et environnementales. Mais l'on observe depuis environ 2005 une lente mais nette reprise des projets et des réalisations. Ce sont :
- les ouvrages de ralentissement dynamique, petits barrages ou bassins en dérivation destinés à ralentir la propagation des crues moyennes et à les écrêter ;
- les bassins pour l'irrigation ;
- les barrages d'altitude pour la production de neige de culture.
1) L'ALÉA DE RUPTURE DES BARRAGES...
Les barrages, quel qu'en soit l'usage, ont tous pour vocation de garder l'eau. Or l'eau a naturellement tendance à s'écouler malgré tout au travers de l'ouvrage ou par-dessus, ou bien même à détruire l'ouvrage pour mieux s'écouler. Un barrage est une structure s'opposant au passage de l'eau et résistant à sa poussée. On peut:
- utiliser le même matériau pour assurer ces deux fonctions d'étanchéité et de résistance : barrages homogènes en argile, barrages poids en béton ou en maçonnerie, barrages voûtes ou contreforts en béton ;
- ou bien spécialiser les matériaux : barrages en remblai grossier à noyau argileux ou à masque étanche artificiel, barrage en béton compacté au rouleau étanché par un masque artificiel...
L'eau dont on barre l'écoulement engendre plusieurs conséquences.
Si son débit dépasse les capacités d'évacuation de crue d'un barrage en terre, elle déverse sur sa crête et érode les remblais jusqu'à une rupture généralement totale.
Elle pousse vers l'aval les barrages poids en béton ou en maçonnerie, qui doivent être dimensionnés en conséquence. On vérifiera la stabilité d'ensemble de l'ouvrage supposé monolithique ainsi que la résistance du matériau. Pour les tout premiers barrages en maçonnerie, la résistance des matériaux étant médiocre, ce critère était prépondérant. Avec les progrès techniques, on a su fabriquer des matériaux, maçonnerie puis surtout béton de bien meilleure résistance. La stabilité d'ensemble est alors devenue l'élément prépondérant pour dimensionner ces ouvrages.
Barrage écrêteur de crue de la Rouvière (H = 18 m, 8,3 hm3) lors de la crue du
9 septembre 2002. Ce barrage, construit en 1970, a connu ce jour là une crue supérieure à sa crue de projet de sûreté et s'est malgré cela bien comporté.
Source : AIGREF n°19
Mais l'eau qui s'infiltre dans les matériaux maçonnerie, béton, rocher de fondation ou sols, provoque aussi des sous-pressions qui sont en quelque sorte des poussées vers le haut. Ce mécanisme de sous-pressions, bien connu aujourd'hui, est en fait très complexe. Pour preuve, il n'a été pleinement maîtrisé qu'au début du XXème siècle. On faisait pourtant des barrages bien avant, depuis des millénaires.
En France, le plus vieux parmi les grands barrages a été construit par Pierre-Paul Riquet à Saint-Ferréol ; achevé en 1672, il sert à alimenter le canal du Midi. Une double date importante dans l'histoire des barrages en maçonnerie se rapporte aux deux ruptures du barrage de Bouzey qui illustrent très bien les deux mécanismes susceptibles de conduire à la ruine de ce type de barrage, par défaut de stabilité d'ensemble :
1884 : glissement à la base du barrage sur sa fondation ;
1895 : fissuration et rupture par renversement dans le corps de la maçonnerie, alors que le barrage avait été conforté par une grosse bêche au pied aval s'opposant au glissement.
L'analyse de ces deux ruptures a permis à Maurice Lévy de mettre en évidence l'action des sous-pressions. Par la suite, la conception des nouveaux barrages poids a pu être améliorée, et de nombreux barrages anciens ont été confortés.
Toujours pour les barrages en maçonnerie ou en béton, l'eau en s'infiltrant peut lessiver les liants par dissolution chimique, et désorganiser le matériau en cas de gel. Le matériau se trouve alors à la fois moins étanche et moins résistant mécaniquement. Ce type de vieillissement a pour conséquence d'augmenter les sous-pressions et de diminuer la stabilité d'ensemble.
Source : AIGREF n°19
Les barrages en terre ne sont pas en reste, bien au contraire. L'eau s'infiltre dans les sols, même très bien compactés, avec deux types de conséquences :
• l'eau introduit des pressions interstitielles, que l'on peut également qualifier de sous-pressions, qui ont seulement été mises en évidence vers 1920 par Karl Terzaghi ; ces sous-pressions dégradent la stabilité au glissement rotationnel des talus ;
• les écoulements peuvent engendrer un mécanisme d'érosion interne. L'érosion interne arrache les particules fines d'un sol sous l'effet du gradient hydraulique. Elle peut se développer en aboutissant à la formation d'un conduit appelé « renard» qui relie la retenue et le pied aval et qui s'agrandit très rapidement jusqu'à la rupture totale. Ce mécanisme est particulièrement dangereux car, une fois initié, il est très rapide. Mais il est sournois car il peut survenir très longtemps après le remplissage de la retenue. Le petit barrage montré sur la photo ci-dessus s'est rompu par renard deux siècles après sa construction. Il n'y a pas eu de victimes grâce à ses petites dimensions mais aussi grâce à la présence d'esprit de l'exploitant qui a pu prévenir la gendarmerie, laquelle a demandé aux quelques personnes présentes dans la rue un dimanche matin de se mettre à l'abri.
Barrage des Ouches (H = 7 m, 49 000 m3), victime d'une rupture par érosion interne,
deux siècles après sa construction
Source : AIGREF n°19
En résumé, et sans prétendre à l'exhaustivité, l'eau peut détruire les barrages en remblai par érosion de surface ou par érosion interne. Elle peut conduire à la ruine les barrages poids du fait des sous-pressions. Les sous-pressions sont aussi intervenues dans la ruine du barrage voûte de Malpasset, cette fois-ci au niveau des discontinuités de la fondation rocheuse.
La conception des ouvrages doit intégrer ces mécanismes. Les barrages en remblai sont équipés de déversoirs dimensionnés pour des crues rares, entre millénales et décamillénales si la sécurité publique est en jeu. Ils disposent de drains destinés à maîtriser les inévitables écoulements internes de l'eau. Ces drains peuvent se colmater par érosion interne, et sont eux-mêmes protégés par des filtres. La conception et la réalisation des drains et des filtres doivent être particulièrement soignées. Signalons en particulier qu'un défaut très localisé dans un filtre suffit à mettre en péril tout l'ouvrage. La conception de ces organes essentiels pour la sécurité est délicate, et la surveillance du chantier nécessite une forte expérience.
Les barrages poids sont dimensionnés en tenant compte des sous-pressions, et on ne sait le faire que depuis le tout début du XXème siècle. Sauf pour les petits barrages, il est classique de forer des drains dans la fondation et dans le corps du barrage pour diminuer ces sous-pressions. Si la stabilité du barrage est vérifiée en tenant compte de la présence de ces drains, leur entretien est une affaire vitale.
Ce que l’on peut traduire dans le tableau suivant :
Rôle de l'exploitant ou du propriétaire
A |
B |
C |
D | |
H en m V en millions de m3 |
H S 20 |
H a 10 et H2.V°5>200 pas en A |
H>5met H2.V°5>20 pas A ou B |
H>2m pas A, B,C |
Examen CTPB du projet nouveau ou modification |
oui |
non |
non |
non |
Dossier de l'ouvrage |
oui |
oui |
oui |
oui |
Registre de l'ouvrage |
oui |
oui |
oui |
oui |
Visite technique approfondie (VTA) |
1 an |
2 ans |
5 ans |
10 ans |
Rapport exploitant |
1 an |
<5 ans |
<5 ans |
≥ 200