Planification judicieuse des ports : considérations relatives à la conception des brise lames
30 avril 2021
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Les brise lames donnent souvent lieu au plus grand investissement dans le cadre de travaux de construction d’un port et peuvent avoir une incidence importante sur les coûts et le calendrier continus de maintenance. Par conséquent, au moment d’évaluer la faisabilité d’un port proposé, il est essentiel d’abord d’établir si le port atteindra la cible de capacité s’il demeure exposé aux vagues, ou si un poste d’amarrage protégé est nécessaire pour éviter les temps d’immobilisation liés aux conditions météorologiques.

Pour répondre à cette question, les responsables du projet doivent effectuer une évaluation préliminaire de la disponibilité des postes d’amarrage, qui comprend ce qui suit :

  • la réalisation d’une étude générale de la météorologie océanique et l’estimation des conditions opérationnelles (p. ex. vagues, vent, courant et niveau de l’eau) à l’emplacement proposé pour les postes d’amarrage;
  • l’estimation des seuils d’exploitation compte tenu des forces permises sur les lignes d’amarre et les défenses et des mouvements des navires, ce qui dépend du type de terminal (p. ex. à conteneurs, vraquier, pétrolier et gazier et de croisière ou gare maritime) et de sa fonction (p. ex. importation exportation);
  • le calcul du pourcentage de temps pendant lequel les seuils d’exploitation sont dépassés, de sorte que les navires ne peuvent pas accoster ou que les opérations doivent s’arrêter et que le navires doivent quitter les postes d’amarrage.

Si les résultats de l’analyse montrent qu’un poste d’amarrage doit être protégé pour la capacité prévue, l’équipe de conception devra élaborer un plan d’aménagement de brise lames pour le projet. Que les brise lames soient au large des côtes ou reliés au rivage, ils doivent être situés et disposés en fonction de considérations géotechniques, de la profondeur de l’eau, de la manœuvrabilité des navires de construction et du degré d’atténuation des vagues nécessaire. Un autre paramètre important à considérer est l’impact potentiel de la construction d’un brise lames sur la morphologie et la sédimentation du rivage, sur les limites de l’installation du projet ou sur les zones voisines en amont ou en aval du projet proposé. Il y a de nombreux exemples où cet aspect de la conception a été négligé, sous-estimé ou présenté de façon inexacte, et le propriétaire a dû composer avec les conséquences financières ou juridiques qui en ont découlé.

Cinq paramètres importants à considérer au moment de la conception d’un brise lames

Une fois qu’il est établi qu’un brise lames est nécessaire, cinq questions essentielles doivent être posées.

1. Ai-je bien déterminé les conditions opérationnelles et les conditions de vagues extrêmes?

Des renseignements fiables sur le climat des vagues sont essentiels à la réussite d’un projet. Cela comprend une bonne compréhension de l’incidence au quotidien des conditions des vagues sur les navires de construction pendant les manœuvres et au poste d’amarrage (et, par conséquent, sur l’aménagement du brise lames), ainsi que l’extrapolation appropriée des effets des événements extrêmes sur la conception de la section transversale des brise lames. Prêtez attention aux lacunes potentielles suivantes au moment d’établir les conditions opérationnelles et les conditions de vagues extrêmes :

  • la simplification excessive des conditions de vagues (p. ex. utiliser des ensembles de données paramétriques et faire fi de l’orientation des vagues);
  • la surestimation de l’atténuation des vagues à l’aide d’outils de conception bureautiques;
  • les erreurs de calcul de l’événement modélisé (p. ex. tenir compte d’un intervalle de récurrence erronée);
  • faire abstraction du profil des tempêtes, et se concentrer sur l’événement de pointe modélisé.
2. Ai-je choisi le bon type de brise lames pour mon projet?

Parallèlement à la conception du plan d’aménagement, le dessin conceptuel de la section transversale typique des brise lames est exécuté compte tenu des solutions de rechange suivantes :

  • brise lames classiques (roches de protection ou éléments en béton préfabriqués);
  • brise lames à risberme (ou dynamiquement stable);
  • brise lames à caissons.

Les autres types de brise lames qui peuvent être envisagés sont les brise lames à crête abaissée (submergés) et les brise lames flottants, selon la fonction de l’installation d’accostage et le degré d’atténuation des vagues requis.

Un massif d’enrochements typique consiste en quelques éléments : un noyau de pierres relativement petites pour construire le brise lames; des pierres de carapace (ou des éléments artificiels en béton) pour protéger le noyau contre les modifications et les dommages causés par les vagues; et une ou plusieurs sous-couches placées entre le noyau et la couche de carapace pour empêcher le matériel du noyau de s’échapper à travers les vides de la couche de carapace et ainsi déstabiliser la structure. Parmi les autres éléments des brise lames typiques, il y a la base, qui protège la face tournée vers la mer du brise lames contre l’action des vagues déferlant selon sa pente; le radier, qui doit être placé à la base du brise lames pour stabiliser le fond marin; de même que la crête et la pente arrière.

Planification judicieuse des ports : considérations relatives à la conception des brise lames

Une étude de rentabilité est nécessaire pour définir la solution privilégiée, compte tenu des coûts, de l’échéancier et des risques. Les paramètres à considérer comprennent les conditions géotechniques du site, la disponibilité des matériaux rocheux (taille, granulométrie, qualité et quantité), les conditions des vagues de référence, les considérations relatives à la constructibilité (méthodologie, équipement et risques), les conditions de la météorologie océanographique ayant une incidence sur les travaux de construction et les priorités des parties prenantes. À titre d’exemple, les considérations relatives à la constructibilité d’un brise lames en mer Méditerranée (dans des conditions de vagues très saisonnières) sont très différentes de celles dans le Pacifique Sud (avec une houle de fond à longueur d’année).

La sensibilité de la conception aux paramètres géotechniques et au tassement, à la liquéfaction et/ou au mouvement de la pente varie selon le type de brise lames et la conception proposée de la section transversale. Par exemple, un brise lames à caissons ou un brise lames protégé d’une couche de carapace formée de blocs CORE LOCTM sur une pente de 4H:3V est plus sensible au tassement différentiel, comparativement à un brise lames à risberme comportant une base plus large et moins d’exigences d’emboîtement. Les mesures d’atténuation à envisager vont du déplacement ou de la révision de la disposition du brise lames au remplacement des matériaux du fond marin par des matériaux compétents, à l’utilisation de géogrilles ou à l’élaboration de techniques d’amélioration du sol.

Des brise lames (à risberme) dynamiquement stables qui sont graduellement modifiés par l’action des vagues pour atteindre un état d’équilibre ou un profil stable ont été considérés plus récemment comme un bon remplacement des brise lames classiques dans plusieurs projets. Les quelques avantages de cette solution de rechange résident dans la souplesse de la conception et de la construction (puisqu’il faut une tolérance de placement moins stricte à l’égard de l’action des vagues); l’efficacité de l’utilisation des matériaux rocheux disponibles; et la capacité d’adaptation aux tempêtes et aux conditions extrêmes. Par ailleurs, et dans certaines conditions comme en eaux relativement profondes, la solution privilégiée peut être une base formée par un massif d’enrochements et surmontée d’un brise lames à caissons. Ce type de brise lames offre également la possibilité d’utiliser une crête pratique pour installer et/ou manœuvrer l’équipement de manutention portuaire tout en créant une façade d’accostage protégée efficacement.

3. Ai-je une source fiable de matériaux rocheux, et comment puis-je optimiser l’exploitation de ma carrière?

L’approvisionnement en matériaux rocheux adéquats pour la construction du brise lames est l’une des premières étapes de la conception. En collaboration avec les géologues, une recherche sur les carrières est nécessaire au début de la réalisation du projet pour évaluer s’il y a des carrières existantes ou potentielles à une distance raisonnable du site proposé du projet afin d’obtenir des matériaux rocheux adéquats pour les besoins du projet. Les paramètres à prendre en compte sont la qualité de la roche, la granulométrie ou le rendement de la carrière, le volume et le taux de production.

Les défis liés à l’approvisionnement en matériaux rocheux de grande taille pour leur utilisation comme couche de carapace dans les brise lames classiques peuvent nécessiter l’étude d’autres solutions de rechange, comme un brise lames à risberme ou le coulage d’éléments artificiels en béton pour remplacer les pierres de carapace.

Il faut connaître le rendement potentiel de la carrière à l’étape de la conception afin de maximiser l’utilisation de la roche disponible, compte tenu des coûts et de l’échéancier associés au dynamitage et au tri, ainsi que des déchets de la carrière. Cela comprend l’optimisation de la conception du noyau et le recours à une plus grande granulométrie dans la conception, lorsque c’est possible. Dans le cas d’un brise lames à risberme, il s’agit de choisir une combinaison optimale de roches de taille, de granulométrie et de volume moyens pour maximiser l’utilisation des matériaux de la carrière.

Bien que l’indice de qualité des matériaux aux fins d’approvisionnement, de transport et de mise en place dans le noyau soit inférieur à celui d’autres composants en raison de l’utilisation de roches de plus petite taille et d’une grande granulométrie, le coût global du noyau sera important, puisque celui ci forme la grande partie du volume du brise lames. Dans certains cas, cependant, une solution économique consiste à construire la majeure partie du noyau à l’aide des matières draguées, placées en couches dans des digues de rétention constituées de roches ou même de tubes géotextiles.

Idéalement, le noyau doit être conçu en fonction du rendement disponible de la carrière, après le choix et le stockage des matériaux rocheux nécessaires pour la couche de carapace, la sous-couche et la base, afin de maximiser l’utilisation de la production de la carrière compte tenu d’un certain nombre de critères comme les suivants :

  • la vulnérabilité et les modifications prévues du noyau non protégé ou partiellement protégé à la suite de l’action quotidienne des vagues ou de tempêtes compte tenu d’une forte probabilité d’occurrence durant la période de construction;
  • l’ampleur des amendes et de l’impact environnemental potentiel (panache émanant de travaux de construction);
  • la perméabilité de la section affectant la stabilité de la couche de carapace, l’efficacité d’absorption de l’énergie des vagues et la transmission des vagues (qui peuvent avoir une incidence sur les opérations derrière le brise lames).

En raison de l’élargissement de la section et de la réduction de l’impact des vagues en fonction de la profondeur, la performance du brise lames est plus sensible à la conception du noyau vis à vis de la section supérieure (et du côté faisant face à la mer) de la structure qu’à celle vis à vis de la section inférieure. Par conséquent, des critères plus souples peuvent être utilisés au moment de sélectionner des matériaux destinés à la section inférieure (et à la section située sous le vent) du noyau afin de réduire les coûts et de raccourcir les délais.

4. Dans quelle mesure les outils bureautiques sont-ils fiables pour la conception d’un brise lames, et comment puis-je valider et optimiser la conception?

Il existe plusieurs lignes directrices, recommandations et formules dérivées des résultats de programmes antérieurs d’essais de modèles physiques (à l’échelle) qui peuvent être utilisées pour élaborer la conception du brise lames. Cependant, contrairement à l’approche expérimentale, les outils bureautiques de conception ne permettent pas de saisir les conditions propres au site et les exigences propres au projet. Il a donc été recommandé d’employer ces outils seulement aux étapes du dessin conceptuel et de la conception de base.

Un programme d’essais de modèles peut permettre d’évaluer la performance d’une conception de brise lames au chapitre de l’atténuation des vagues et de l’impact des vagues diffractées sur les mouvements des navires ou le littoral; les effets 3D des vagues déferlantes sur la structure (en particulier le musoir et les courbes du brise lames); la stabilité de la section de transition entre les pierres de carapace ou les éléments de carapace rocheux ou en béton de différentes tailles; les dommages cumulatifs causés par les modifications de la structure; et la stabilité de la pente arrière.

Une fois que le client a privilégié un concept de brise lames, un programme d’essais de modèles devrait être élaboré afin de valider l’aménagement (disposition et longueur) et la conception de la section transversale dans les conditions de vagues sélectionnées et, si possible, d’optimiser la structure ou de rajuster la taille de celle ci (en réduisant la taille ou le volume des matériaux, en gérant les risques et en facilitant la construction).

Je me suis plusieurs fois fait poser des questions au sujet de la nécessité de mettre le modèle à l’essai étant donné que ce délai pourrait entraîner un retard dans la construction et des coûts connexes (habituellement, en me faisant donner des exemples de brise lames construits dans le passé sans passer par cette étape!). D’après mon expérience, il est judicieux d’investir des fonds dans la vérification et l’optimisation de la conception d’un brise lames dans une installation d’essais. En guise d’exemple, l’un de mes clients voulait explorer la possibilité de déroger à la conception en utilisant un noyau non protégé dans le but de diminuer les coûts de construction. Les résultats des essais du modèle ont montré les conséquences probables de ce changement, notamment le débordement important de vagues, des dommages considérables à la couche de carapace et la rupture de la crête. Valider la conception a permis de prémunir ce projet contre d’éventuelles réparations coûteuses. Dans un autre cas, après avoir constaté l’échec dans l’installation d’essais de la conception initiale réalisée au moyen d’outils bureautiques, j’ai dû mettre au point et évaluer plusieurs variations de la disposition du musoir, de la taille des pierres formant la base et des éléments de carapace pour en arriver à une conception réussie.

Par ailleurs, le programme d’essais peut être mené en parallèle avec les travaux d’ingénierie et les premiers travaux de construction. Il peut, au besoin, être axé sur les aspects qui se trouvent en dehors du chemin critique du projet, comme le musoir, la section supérieure du brise lames, la crête et la pente arrière. Cela permettra d’atténuer l’impact potentiel des essais du modèle sur l’échéancier du projet.

5. Mon brise lames peut-il être construit; quels sont les risques à considérer pour la construction; et comment peut-on les atténuer?

Une évaluation préliminaire de la constructibilité est requise à l’étape initiale de la conception et dans le cadre de l’étude de rentabilité afin de prendre en compte la taille, le type et le nombre des pièces d’équipement nécessaires, le type de construction (terrestre, maritime ou hybride), les aires de stockage et de transformation et leur accès, les installations de déchargement des pierres, etc.

Les questions à se poser habituellement sont les suivantes.

  • Quel est le risque que les vagues modifient ou endommagent les structures sous-jacentes (submergées, à crête abaissée ou partiellement revêtues d’une couche de carapace), et que dois je faire pour l’atténuer?
  • Vu les conditions climatiques des vagues pendant la construction, combien de temps d’arrêt puis-je prévoir?
  • Quelle est l’approche privilégiée pour la construction, compte tenu du volume des matériaux et de la tolérance de placement?

Les risques liés à la construction et le plan en place pour les atténuer sont essentiels pour l’entreprise qui assure le projet.

Il est recommandé de se doter d’un programme d’essais de modèles physiques afin d’évaluer les aspects clés de la constructibilité du brise lames. Les résultats peuvent être utilisés pour :

  • évaluer la faisabilité de la mise en place d’éléments artificiels en béton de la carapace dans les conditions de vagues sélectionnées, compte tenu des tolérances de placement acceptables. Le résultat servira à estimer les seuils d’exploitation à l’intérieur desquels il est possible de placer les éléments et les temps d’arrêt des travaux de construction connexes;
  • déterminer l’ampleur des modifications qu’une structure partiellement construite pourrait subir dans les conditions de vagues sélectionnées (p. ex. lors d’une tempête de pointe annuelle). Le résultat servira à estimer le risque de dommages ou de reconstruction et à élaborer des mesures d’atténuation, comme l’utilisation de pierres de plus grande taille pour le noyau, la protection temporaire du noyau ou la limitation de la longueur d’une section découverte;
  • évaluer la résistance résiduelle de la structure modifiée par les conditions de vagues de référence, et évaluer si elle peut résister aux états de la mer sélectionnés avant d’effectuer la maintenance ou la reconstruction. Le résultat servira à modifier la structure, au besoin, afin d’éviter les défaillances et de compromettre les opérations du terminal.

Les brise lames peuvent être essentiels afin de protéger les ports et les terminaux contre les vagues incidentes. Bien qu’il s’agisse d’un élément essentiel de leur performance et d’une part importante des dépenses en capital dans le cadre d’un projet, la conception des brise lames est parfois inefficace ou n’est pas optimale. Répondre aux questions énumérées ci-dessus aidera les parties prenantes et permettra d’aborder les paramètres de conception clés qui ont une incidence sur la faisabilité, l’exploitabilité et la réussite d’un projet portuaire.


À PROPOS DE L’AUTEUR
Keyvan Mahlujy, M.Sc., P.Eng., est ingénieur sénior des travaux maritimes chez Golder. Il compte plus de 25 ans d’expérience des aspects maritimes de la conception de ports et de terminaux, et ce, à toutes les étapes du cycle de vie d’un projet. Keyvan possède une expertise dans l’évaluation et la conception de structures maritimes, y compris de brise lames, de routes sur digue et de revêtements, de même que dans la modélisation numérique des travaux maritimes, y compris des études en météo-océanographie, l’analyse d’amarrage dynamique et l’évaluation des temps d’immobilisation aux postes d’amarrage. Il a été ingénieur concepteur, responsable des travaux maritimes, gestionnaire de l’ingénierie et chargé de projet pour l’aménagement de structures maritimes et d’installations portuaires partout dans le monde, par exemple l’installation portuaire de la phase 2 du projet Quebrada Blanca (Chili), le terminal de gaz naturel liquéfié (GNL) du Pérou (Pérou), le terminal Mina de Cobre (Panama), Port Preston (Australie), le terminal Presidente Kennedy (Brésil), le terminal de GNL d’Altamira (Mexique), le terminal de Jorong (Indonésie), le port Bahman (Iran), le port du projet d’exploitation de cuivre et d’or de Silangan (Philippines) et le terminal de GNL de Canaport (Canada).
Keyvan Mahlujy

Keyvan Mahlujy Member Name

Ingénieur sénior des travaux maritimes


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