Les grands aménagements hydroélectriques : Génissiat (I)

En 2019, l’hydroélectricité contribue pour 3% au bilan énergétique mondial, via les 16% que représente sa production dans le mix électrique. Elle est donc de très loin la principale source d’énergie renouvelable à partir d’aménagements de toute taille. Parmi eux, certains ont laissé une empreinte, technique, géographique et économique qui mérite d’être mieux connue, d’où les deux premiers articles consacrés à Génissiat.


Fig. 1: Le barrage et la centrale de Génissiat vus depuis l'aval - Source : CNR/C. Moirenc

L’aménagement hydroélectrique de Génissiat, surnommé le « Niagara français » lors de son inauguration en 1948, a été l’un des symboles de la reconstruction d’après-guerre (Figure 1). Par la dimension de ses ouvrages et la puissance de ses turbines, Génissiat faisait en effet partie des plus importants ouvrages hydroélectriques d’Europe (Lire : Les ouvrages hydrauliques).

Son origine remonte aux débuts de l’hydroélectricité, les caractéristiques du site ayant, dès la fin du 19ème siècle, suscité de nombreux projets d’équipements. Sa construction a été considérablement ralentie par la guerre et a représenté un véritable défi au hommes, ingénieurs comme ouvriers, qui l’ont menée à bien. En 2019, Génissiat reste la deuxième centrale hydroélectrique la plus productive de France et joue un rôle important dans la gestion des débits et l’exploitation énergétique du Rhône (Lire : Les grands aménagements hydroélectriques : Génissiat II).

 

1. L’exploitation de la force hydraulique du Haut-Rhône français avant Génissiat

Dès les années 1870, le Rhône en aval du lac Léman a fait l’objet de plusieurs aménagements destinés à en exploiter la force hydraulique. Son débit important, de l’ordre de 330 m3/s en moyenne annuelle, sa vallée resserrée, sa pente moyenne de 2,7 m/km et la présence fortement régulatrice du lac Léman attirent en effet les industriels, principalement suisses, désireux d’exploiter la puissance du fleuve.

En France, la première installation sera celle de la Jonction, dite aussi de Coupy, dont les deux premières turbines Jonval de 470 kW seront mises en service en 1873[6]. Cette installation constituera en 1875, après mise en service d’une troisième turbine, un record de transmission d’énergie par câbles télédynamiques avec une puissance totale de 2 200 kW sur 1,3 km[7]. Elle sera convertie à l’électricité dès 1893.

Viendront ensuite les usines de la Valserine, permettant à Bellegarde de revendiquer le titre de première ville française à disposer d’un réseau d’éclairage public à l’électricité (en courant continu) dès 1884, puis d’Eloise (8 800 kW) mise en service en 1919.

Très rapidement toutefois, des projets beaucoup plus ambitieux seront proposés, avec pour objectif principal l’alimentation en électricité de la ville de Paris. Ces projets vont rencontrer un autre grand projet, la réalisation d’une voie navigable entre le lac Léman et Lyon et, au-delà, jusqu’à la Méditerranée. C’est ainsi que, dès 1920, l’aménagement de ce tronçon du Rhône n’est envisagé que dans la mesure où il permettrait non seulement la production d’électricité mais également la navigation.

Fig. 2 : Projet Harlé, Blondel et Mähl, 1906 – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

Quatre projets feront ainsi l’objet d’études relativement abouties :

  • le projet « Génissiat » de MM. Harlé, Blondel et Mähl, objet d’une demande de concession le 16 mai 1914 par la Société des Forces Hydrauliques du Rhône, demande non aboutie en raison de la guerre ;
  • le projet « Bellegarde-Malpertuis » de la Société des Forces Motrices du Rhône, déjà titulaire de la concession de Jonage et exploitante de l’usine de Cusset, aujourd’hui exploitée par EDF ;
  • le projet de M. Maillet ;
  • le projet dit « des Usses » de M. Ripert, présenté par la Cie Electro-mécanique de Paris.

Le projet « Génissiat » de MM. Harlé, Blondel et Mähl (Figures 2 et 3) consistait en la construction d’un barrage de 76 m de hauteur à l’aval de Bellegarde permettant la constitution d’une retenue de 50 millions de mètres cubes. La production d’électricité y est assurée au moyen d’une usine située en rive droite, à l’aval immédiat du barrage, équipée de 24 groupes Francis double de 10 MW chacun, la navigation étant rendue possible grâce à un ascenseur à bateau.

Fig. 3 : Projet Blondel Harlé et Mähl. Maquette des ouvrages, 1908 – Source : Annales des sciences physiques et naturelles de la société d’agriculture de Lyon. Séance du 10 mai 1911

 

Le projet « Bellegarde-Malpertuis consistait à diviser la chute grâce à la construction de deux barrages, l’un créant une chute de 30 m, situé à Bellegarde, l’autre une chute de 38 m, situé à Malpertuis (Figure 4). Deux usines, équipées chacune de 12 groupes, assuraient la production d’électricité, la navigation étant rendue possible par la construction d’écluses.

Fig. 4 : Comparaison des projets Bellegarde-Malpertuis et Génissiat - Source : La Houille Blanche Juin 1912

 

Les projets Maillet et Ripert étaient deux projets en dérivation. La topographie des lieux n’autorisant pas de dérivation à l’air libre, ces projets prévoyaient des dérivations souterraines combinant des canaux en charge pour l’alimentation des usines et un canal à surface libre pour la navigation (Figure 5).

 

Fig. 5 : Projet de M. Maillet. Coupe de la dérivation sur son parcours en souterrain – Source : La Houille Blanche n° 167, Novembre Décembre 1920

 

Ces projets largement décrits dans plusieurs revues, en particulier dans la Houille Blanche[1] et Le Génie Civil[2], ont fait l’objet de discussions animées dans les colloques et sociétés savantes, chacun étant l’objet de controverses de la part de géologues de renom, particulièrement critiques des emplacements choisis pour l’établissement des barrages. Le projet Génissiat se voyait également reprocher son caractère trop ambitieux.

Les défenseurs du projet Bellegarde-Malpertuis qui divisait la chute en deux, mettaient également en avant la réduction des surfaces inondées et une moins grande sensibilité à la problématique de la sédimentation. On peut valablement s’interroger sur la réponse qui serait donnée à cette question aujourd’hui et sur le projet qui serait retenu, notamment sous l’angle de la gestion du transit sédimentaire qui n’avait pas été occultée à l’époque, bien au contraire [5].

 

2. La reprise du projet par la Compagnie Nationale du Rhône (CNR)

Fig. 6 : Carte montrant les différents projets envisagés par CNR – Source : Le Génie Civil n° 2881 du 30 octobre 1937

Portée par Léon Perrier et Edouard Herriot et votée le 27 mai 1921, la « loi du Rhône » instituait, entre autres, que :

  • l’aménagement du Rhône entre la frontière suisse et la mer devra être réalisé du triple point de vue de la puissance hydraulique, de la navigation et de l’irrigation,
  • l’ensemble des travaux à effectuer pour l’aménagement du Rhône fera l’objet d’une concession unique consentie à l’ensemble des collectivités intéressées à cet aménagement.

Fig. 7 : Vue en plan du projet CNR avec usine en fer à cheval – Source : Le Génie Civil n° 2881 du 30 octobre 1937

C’était donc la fin des projets portés par des intérêts privés, mais la gestation de la CNR sera longue et difficile puisque la compagnie ne verra le jour qu’en 1933 et ne se verra accorder la concession du Rhône qu’en 1934, pour une durée de 75 ans à partir de l’achèvement du premier ouvrage, soit 1948.

Fig. 8 : Vue d'artiste montrant « l’inspiration Hoover dam » de ce projet – Source : Le Génie Civil n° 2881 du 30 octobre 1937

Le tronçon des gorges du Haut-Rhône est alors choisi pour y établir le premier aménagement : les caractéristiques du site le font apparaître comment étant le plus rémunérateur, les bénéfices tirés de son exploitation futurs assurant un revenu indispensable à la compagnie pour lancer les chantiers suivants. Les études conduites par CNR sont lancées dès 1933, avant même l’attribution de la concession.

Sept variantes sont envisagées : trois solutions comportant un ou deux barrage-usine et 4 solutions avec barrage unique et dérivation (Figure 6). Moyennant quelques modifications, elles reprennent plus ou moins les principes des études précédemment présentées par les groupements intéressés.

C’est finalement le projet de barrage unique à Génissiat qui est retenu, pour des raisons à la fois d’ordre géologique et de coût de l’énergie produite.

Le projet général évoluera encore au fil des études, notamment par passage de deux demi-usines disposées en fer à cheval et alimentées chacune par une conduite unique dans le projet de 1937 (Figures 7 et 8) à une usine unique (Figures 9 et 10) présentant les avantages suivants :

  • possibilité de déversement du barrage sur le toit de l’usine en cas de crue exceptionnelle (solution qui a été abandonné depuis) ;
  • indépendance des groupes (une prise d’eau par groupe) et réduction des coups de bélier ;
  • diminution du coût de l’usine ;
  • meilleure protection de l’usine contre les bombardements.

Fig. 9 : Plan d'ensemble du projet avec usine unique en pied de barrage – Source : Le Génie Civil n°2996 du 12 janvier 1940

 

Fig. 10 : Projet architectural de M. Laprade – Source : Le Génie Civil n° 2996 du 12 janvier 1940

 

3. Les études

Fig. 11 : Dérivations provisoires. Vue d'ensemble du modèle au 1/40 – Source : La Houille Blanche numéro spécial Génissiat

La construction d’un tel aménagement représentait à l’époque un véritable défi technique sur plusieurs aspects, dont les moindres n’étaient pas :

  • la coupure d’un fleuve dont le débit ne descend jamais en dessous de 120 m3/s ;
  • le volume des déblais à retirer ;
  • le volume de béton des ouvrages ;
  • le dimensionnement des ouvrages évacuateurs de crue ;
  • la puissance des turbines et des alternateurs.

Les études ont été menées à la fois par les ingénieurs de la toute nouvelle CNR et par ceux des différentes entreprises et laboratoires impliquées dans le projet. De grands noms sont associés à ce projet, tels que ceux d’Alfred Stucky, de Maurice Lugeon, d’Albert Caquot, de Jean Aubert.

Fig. 12 : Etude sur modèle au 1/25 de l'évacuateur rive gauche au laboratoire de Lausanne – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

Les limites des méthodes et moyens de calcul de l’époque ainsi que les dimensions nouvelles des ouvrages conduiront à procéder à de très nombreuses études sur modèle physique. On peut citer notamment :

  • Etude hydraulique des dérivations provisoires (modèle au 1/100 au laboratoire de la CNR puis modèle au 1/40 au laboratoire Neyrpic, (Figure 11).
  • Etude hydraulique de l’évacuateur de surface (modèles au 1/100 et au 1/50 de l’ouvrage de garde au laboratoire Neyrpic, modèle de l’ouvrage terminal au laboratoire de la CNR).
  • Etude hydraulique de l’évacuateur rive gauche aux laboratoires de la CNR puis de l’université de Lausanne (Figure 12).
  • Etude hydraulique de la vidange de fond aulaboratoire de l’école polytechnique de Lausanne.
  • Etude hydraulique des prises d’eau des groupes au laboratoire de la CNR (tours de prise, transition de la section semi-circulaire à une section circulaire en passant par une section rectangulaire au droit des vannes de prise d’eau).
  • Etude de la coupure du Rhône au laboratoire Neyrpic (étude à 2 dimensions en canal vitré puis étude à 3 dimensions sur modèle au 1/40).
  • Etude hydraulique (pertes de charge) et mécaniques (efforts de manœuvre, niveau de contrainte dans le corps de vanne) des vannes papillons de garde des turbines principales.
  • Etudes des contraintes sur modèle réduit des conduites forcées.
  • Etudes de performances et de cavitation des turbines, au laboratoire des constructeurs (Figure 13).

Fig. 13 : Eléments du modèle réduit des turbines – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

  • Etudes des contraintes et essais de fatigue des bâches spirales des turbines (groupes impairs) sur modèle au 1/4 aux établissements Escher-Wyss(Figure 14).

Fig. 14 : Essais de la bâche modèle sous 35 kg/cm2

  • Etudes des vannes de prise des groupes principaux (optimisation du couteau, détermination des efforts hydrauliques (modèle au 1/25 au laboratoire Neyrpic).
  • Etude des vannes de l’évacuateur rive gauche (écoulement, débitance, efforts de manœuvre) au laboratoire Escher-Wyss.

4. Les travaux

Il n’est pas dans l’objectif de cet article de procéder à une description complète et exhaustive des travaux réalisés pour la construction de cet aménagement, ni d’en relater la chronologie détaillée. Pour cela, le lecteur intéressé consultera avec profit le numéro spécial de la revue La Houille Blanche, consacré à Génissiat [4]. On se contentera ici de relater les éléments les plus marquants.

L’étape sans doute la plus critique de ce chantier consistait à réaliser la coupure du Rhône afin de mettre à sec le site sur lequel seraient élevés les ouvrages.

Pour cette raison, un premier marché de travaux,dits travaux préparatoires, était signé le 10 décembre 1936.

4.1. Les travaux préparatoires

Ces travaux préparatoires ont consisté à réaliser deux galeries de dérivation souterraines, une sur chacune des rives, les deux batardeaux (amont et aval), l’assèchement du lit du Rhône et, enfin, l’extraction des alluvions ainsi que certains travaux de terrassement préliminaires aux travaux définitifs.

4.1.1. Les galeries de dérivation (Figures 15 et 16)

Fig. 15 : Galerie de dérivation provisoire, profil Type – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

Le dimensionnement des galeries de dérivation a été déterminé à partir des données hydrologiques. La courbe des débits de crue classés présentant un point anguleux vers 1 300 m3/s et le plus fort débit de crue connu (1910) ayant été estimé à 2 000 m3/s à partir de relevés de hauteur disponibles depuis 1841, il est décidé que les galeries de dérivation devraient pouvoir faire passer un débit de 1 400 m3/s sans mise en charge et de 2 000 m3/s en charge, c’est à dire que le batardeau amont devait être dimensionné pour cette valeur. Si la plus forte crue connue a été retenue comme niveau de protection, ce qui est très conservateur, cela est dû à la durée prévisionnelle du chantier, qui était de 5 années. Les évènements ont finalement conduit à devoir utiliser ces galeries pendant près de 9 années.

Fig. 16 : Galerie de dérivation avant mise en eau – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

Il est à noter que la plus forte crue observée pendant la durée du chantier a atteint la valeur de 1 525 m3/s, le 24 novembre 1944.

Après réalisation de galeries de reconnaissance et de drainage entre fin mai et début novembre 1937, l’excavation de la pleine section de ces galeries a commencé dès le 1er décembre 1937 pour se terminer le 22 décembre 1938 pour la galerie RD et le 26 février 1939 pour la galerie RG.

Le volume total de déblais a été de 215 000 m3.

Pour des raisons hydrauliques (la qualité du rocher ne nécessitant pas de revêtement, à l’exception de la partie amont de la galerieRG), les galeries ont été revêtues de 40 cm de béton.

Les bétonnages ont été terminés fin mars 1939 pour la galerie RD et début mai 1939pour la galerie RG.

4.1.2. La coupure du Rhône

Fig. 17 : croquis des configurations de la construction du massif de coupure. P. Bayard (1964). Fermetures fluviales sur le Rhône – Source : La Houille Blanche n° 4/1964

La phase la plus critique a bien sûr consisté à réaliser la coupure du Rhône et assurer la mise à sec de la fouille. Compte tenu des caractéristiques du site (étroitesse du lit, caractère encaissé, difficultés d’accès aux rives), de la différence de niveau entre l’amont et l’aval nécessaire pour assurer la débitance des galeries de dérivation et de la nature des matériaux à disposition, c’est la méthode de coupure assurant une élévation du massif régulière sur toute la largeur du lit du Rhône qui fut retenue.

L’étude de cette coupure fut réalisée sur modèles réduits, à 2 dimensions en canal vitré à l’échelle du 1/10e, puis en 3 dimensions, à l’échelle du 1/40e (Figure 17).

Les contraintes de programme (avancement des travaux des galeries de dérivation) et d’hydrologie ont conduit à prévoir un massif de coupure supportant un déversement de 300 m3/s, permettant d’accepter un débit total de 800 m3/s en relevant les lignes d’eaux suffisamment pour assurer un débit de 500 m3/s dans la première galerie de dérivation (galerie RD).

La réduction de la longueur du massif de coupure a pu être obtenue par l’utilisation de tétraèdres métalliques (Figure 18). Ces tétraèdres étaient fixés au moyen de câbles à des corps morts immergés à l’amont du massif. La mise en œuvre de ces tétraèdres a également été mise au point lors des essais sur modèle réduit (répartition des tétraèdres, densité des tétraèdres par rapport aux enrochements, alternance de mise en place des enrochements et des tétraèdres, etc.). L’utilisation de ces tétraèdres a permis d’augmenter la pente du massif de coupure de 4 % à 15 % [1].

Fig. 18 : Massif de coupure aval sous un déversement de 60 m3/s. Les tétraèdres sont bien visibles – Source : CNR

La mise en œuvre sur site a nécessité la construction de deux ponts de service, au droit de chacun des batardeaux, ainsi que d’un réseau de voies ferrés pour la circulation des wagonnets entre la carrière fournissant les enrochements et les ponts de service desquels ils étaient jetés.

La réalisation de la coupure proprement dite eut lieu entre le 28 mars et le 30 avril 1939, avant la période des forts débits liés à la fonte des neiges et à temps avant que la déclaration de guerre ne ralentisse les travaux du fait de la mobilisation.

4.1.3. L’assèchement du lit du Rhône et les terrassements

Après élévation des deux batardeaux à leurs côtes définitives puis réalisation des travaux d’étanchement par rideaux de palplanches, écrans d’injection et écrans en maçonneries, la fouille fût mise à sec par pompage en utilisant en particulier une galerie de reconnaissance sous-fluviale qui avait été réalisée en 1921 lors d’études menées sous la direction du géologue suisse Maurice Lugeon avant même la création de la CNR (l’objet de cette galerie était en particulier de s’assurer de l’absence d’une fissure profonde dont l’existence était soutenue par le spéléologue Edouard-Alfred Martel, opposant au projet de barrage à Génissiat).

Afin de protéger des infiltrations la zone centrale de la fouille, deux petits batardeaux voutes sont également construits (Figure 19).

Fig. 19 : Profil en long de la fouille. On note en particulier les deux batardeaux en enrochements, les deux batardeaux voûtes, la galerie sous-fluviale – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

Après enlèvement de 60 000 m3 d’alluvions et certains travaux de terrassements nécessaires aux futurs travaux définitifs (Figure 20), les travaux préparatoires se terminaient le 15 juin 1940.

Fig. 20 : Dégagement du fond rocheux. Au fond le batardeau amont – Source : La Houille Blanche numéro hors-série Génissiat

4.2. Les travaux définitifs

Le marché pour les travaux définitifs est signé le 1er avril 1940. Les travaux dureront jusqu’en 1948 en raison des difficultés liées à la guerre.

En effet, dès le 23 juin 1940, pour éviter que le chantier ne constitue un lieu de traversée du Rhône, les autorités militaires ordonnaient la fermeture des galeries de dérivation et la destruction des treuils de manœuvre de leurs vannes. Le chantier était noyé en moins d’une heure, recouvert par 30 000 m3 de déblais, de nombreux matériels détruits.

Par la suite, les difficultés d’approvisionnement, les départs d’ouvriers vers le maquis, les rafles, ralentissent considérablement les travaux.

Les installations de chantier sont réalisées de 1940 à 1944. Elles comprennent les équipements d’extraction des matériaux (tous les matériaux nécessaires à la fabrication des bétons sont extraits du Rhône en aval de Génissiat), les téléfériques utilisés pour leur transport, les installations de lavage, concassage et stockage, la centrale à béton la plus importante jamais réalisée en France à cette époque capable de produire 2 000 m3 de béton par jour, les blondins pour le bétonnage.

Le volume de béton nécessaire à l’ensemble des ouvrages s’est élevé à 675 000 m3.

Fig. 21 : Installation d'une bâche spirale – Source : CNR

Le barrage a été bétonné par plots (un plot par groupe principal), en levées de 50 cm. Les tours de prises d’eau étaient réalisées au fur et à mesure, les coffrages étant accrochées au parement amont du barrage en cours de bétonnage.

Le bétonnage de l’usine a été réalisé en parallèle (Figure 21).

Les bétonnages ont commencé dès 1941 et se sont poursuivis à un rythme très ralenti de 1942 à 1944 avant de connaître une accélération dès 1945.


Notes et références

[1] Voir en particulier les numéros d’avril 1907 pp 83 à 90 ; de mai 1909 pp 110 à 116 ; de juin 1912 pp 153 à 160.

[2] Voir en particulier les numéros du 13 juillet 1912, 30 octobre 1937

 

Bibliographie complémentaire

[1] : X (1940). L’aménagement du Haut-Rhône français. Projet définitif et travaux du barrage de Génissiat, in Le Génie Civil Tome CXVI n° 2 du 13 janvier 1940.

[2] : Blanc-Latham Danielle (2004). La Compagnie Nationale du Rhône, au fil de l’eau, au fil du temps. Compagnie Nationale du Rhône. 144 p.

[3] : CNR, Direction de la Communication (2008). Génissiat, l’histoire d’un mythe au destin national. Compagnie Nationale du Rhône, 164 p.

[4] : Collectif (1950). Génissiat. Grenoble : Numéro hors-série de La Houille Blanche. 296 p.

[5] : Coutagne G. (1912). Apports et ensablement du Haut-Rhône. Leurs conséquences sur la durée et l’efficacité des réservoirs créés par les barrages sur le fleuve. La Houille Blanche, Juin 1912, n° 6, p. 160-163.

[6] : Lugeon M. et de Valbreuze R. (1911). Projet de captation du Haut-Rhône français. Annales des sciences physiques et naturelles, d’agriculture et d’industrie. Séance du 10 mai 1911. Disponible en ligne sur http://www.gallica.bnf.fr.

[7] : Varaschin Denis (2003). Centrales hydrauliques du Haut-Rhône français : de quelques savoir-faire suisse en France (années 1870 à 1946). Annales historiques de l’électricité 2003/1 (N° 1), p. 17-35. Article disponible en ligne : https://www.cairn.info/revue-annales-historiques-de-l-electricite-2003-1-page-17.htm

[8] : Viollet Pierre-Louis (2005). Histoire de l’énergie hydraulique. Paris : Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées. 232 p.


 

Toutes les rubriques de ce contenu.
Sommaire