Les grands aménagements hydroélectriques : Pierre-Bénite et les groupes bulbes

Presque 20 ans après celui de Génissiat (Lire : Les grands aménagements hydrauliques : Génissiat (I) et Les grands aménagements hydroélectriques : Génissiat (II)), l’aménagement de Pierre-Bénite est mis en service en 1967. Il fait partie du programme de construction de la Compagnie nationale du Rhône (CNR) qui, après sa création en 1933, s’était vue attribuer dès 1934 la concession du Rhône avec le triple objectif de :

• l’exploitation de la force hydraulique,
• la mise en navigabilité du fleuve,
• l’irrigation des terres agricoles,

l’ensemble des travaux étant financé par les recettes issues de la production d’électricité.

1. L’ambitieux programme de la CNR

Le programme initial comportait l’aménagement de 20 chutes pour une production annuelle de l’ordre de 15.7 TWh. Les ouvrages affichant la meilleure rentabilité, fournissant la plus forte production électrique et régularisant les portions du fleuve les plus difficiles à naviguer ont été construits en premier. Génissiat (1 780 GWh) et Seyssel (166 GWh) pour la démodulation[1], mis en service respectivement en 1948 et 1951, seront suivis de Donzère Mondragon (2 030 GWh) en 1952, Montélimar (1 575 GWh) en 1957, Baix Le Logis-Neuf (1 180 GWh) en 1960 et Beauchastel (1 200 GWh) en 1963.

L’ensemble de ces six aménagements produisant déjà la moitié du potentiel attendu du Rhône, la question de l’opportunité de poursuivre l’aménagement du fleuve s’est posée. En effet, la rentabilité des équipements restant à construire devenait moins attractive, d’autant, qu’au même moment, le coût du kWh thermique diminuait. Du strict point de vue énergétique, une telle réticence se comprenait. Mais c’était sans prendre en compte les autres objectifs de l’aménagement du Rhône, en particulier la navigation.

2. Le choix de Pierre-Bénite

Le programme initial d’aménagement du Rhône établi par la CNR prévoyait un barrage situé à huit kilomètres en aval de Lyon : sa retenue ne remontait pas, en amont, le sud de l’agglomération et n’améliorait donc en aucune façon les conditions de navigation à la confluence.

Un autre choix s’imposait. Le projet finalement réalisé sur la commune de Pierre-Bénite, à six kilomètres au sud de Lyon, a été conçu en vue,

• d’une part de rendre accessible depuis la Méditerranée le port Edouard Herriot, premier des ouvrages construits par la CNR et mis en service dès 1938,
• d’autre part, de sécuriser la liaison navigable Rhône-Saône, prémisses d’une future liaison Rhône-Rhin, en établissant une retenue unique commune au Rhône et à la Saône, submergeant le vieux barrage-écluse de la Mulatière.

L’équipement de Pierre-Bénite a donc pour objectif de créer une retenue aussi haute que possible pour satisfaire aux besoins de navigation sur la Saône, sans toutefois entraîner de risques d’inondation dans Lyon par relèvement de la nappe. Il s’agit d’une véritable synthèse des deux premiers objectifs de l’aménagement du Rhône, l’optimisation de la production hydroélectrique cédant le pas aux contraintes de la navigation.

3. Conception générale de l’aménagement

L’amélioration des conditions de navigation nécessitait de relever le niveau moyen du Rhône de trois mètres environ à la confluence. Selon la conception classique des autres aménagements, l’obtention d’une chute suffisante nécessitait de repousser de plusieurs kilomètre l’implantation des ouvrages en établissant un canal de dérivation amont (canal d’amenée) au-dessus du terrain naturel. L’urbanisation déjà importante dans cette région, incluant de nombreux sites industriels, ne permettait pas ce schéma. C’est ce qui explique la conception générale assez originale de l’aménagement avec un barrage implanté 800 mètres (m) en aval de l’usine, pour des raisons géologiques et hydrauliques, et un canal de fuite de l’usine d’une longueur de 11 kilomètres (Figure 1).

La retenue amont s’étend jusqu’à la limite Lyon-Caluire sur le Rhône, et à l’aval de l’écluse de Couzon au Mont d’Or sur la Saône, supprimant ainsi les paliers de la Mulatière et de l’Ile Barbe. L’ensemble de l’aménagement s’étire donc sur près de 35 kilomètres (km).

La situation de cette retenue au sein même de l’agglomération lyonnaise n’est pas sans conséquences sur la conception et l’exploitation de l’aménagement :

• construction de nombreux ouvrages annexes pour assurer un contrôle efficace de la nappe, le drainage des zones urbanisées, le rétablissement de nombreux ouvrages d’alimentation en eau industrielle, la refonte du réseau d’égouts, entre autres ;
• respect impératif des cotes d’exploitation, empêchant quasiment toute possibilité de marnage[2] et impliquant des dispositions rigoureuses pour limiter les effets des éventuelles ondes de déclenchement.

Les données hydrologiques de dimensionnement sont les suivantes (débits à Ternay) :

• Débit moyen annuel : 1 030 m³/s
• Débit d’étiage (10 j/an) : 310 m³/s
• Crue décennale : 4 450 m³/s
• Crue centennale : 5 900 m³/s
• Crue millénale : 7 300 m³/s

4. Principales étapes des travaux

Avant aménagement (Figure 2), le Rhône formait une courbe prononcée, court-circuitée par une lône[3], isolant ainsi l’île de Pierre-Bénite. En temps de crue, la lône puis l’île elle-même, submersible, permettait le passage du débit.

L’ensemble écluse-déchargeur-usine est implanté en rive droite au plus près de la courbe du Rhône, le barrage évacuateur de crue est situé sur l’île de Pierre-Bénite. L’ensemble des ouvrages est donc construit hors lit mineur mais l’emprise des chantiers réduit nettement le lit majeur. La réalisation d’une dérivation était donc nécessaire pour autoriser le passage des crues pendant la durée des travaux. Celle-ci sera constituée par le canal de dérivation, futur évacuateur de crue, puis par une dérivation provisoire de l’enceinte du chantier du barrage (Figure 3).

Les ouvrages purent ainsi être construits dans deux fouilles distinctes, l’une pour l’ensemble écluse-déchargeur-usine, l’autre pour le barrage (Figure 4).

4.1. Le chantier de l’ensemble écluse-déchargeur-usine

Le chantier étant situé sur l’île de Pierre-Bénite, submersible en crue, il était nécessaire de le protéger des plus hautes eaux de crue. Pour cela, le chantier fût isolé au moyen d’un batardeau constitué, soit d’une digue avec noyau argileux, soit d’un rideau de palplanches et de murs en béton armé là où l’on souhaitait en limiter l’emprise pour ne pas réduire la section de passage du fleuve.

Les sondages effectués ayant permis d’identifier un substratum mollassique sensiblement horizontal à la cote 140 recouvert par une vingtaine de mètres d’alluvions de forte perméabilité, il était nécessaire de réaliser un écran étanche à travers la couche d’alluvions et partiellement dans la mollasse. Ceci a été réalisé au moyen d’une paroi étanche du type paroi moulée (Figures 5 et 6).

4.2. Le chantier du barrage

En raison de la configuration particulière des lieux et de l’implantation du barrage, en dehors du lit mineur, et grâce aux ouvrages de dérivation réalisés, il a été possible de construire le barrage en une seule fois, à l’abri d’une enceinte étanche unique réalisée au moyen d’une paroi moulée (Figure 7).

Dans le même temps était effectué le creusement du canal de fuite.

4.3. Travaux préparatoires à la coupure du Rhône

Une fois les ouvrages terminés et après réalisation des dragages dans la partie amont du canal de fuite, on procéda à l’enlèvement des enceintes provisoires des deux chantiers : ensemble écluse-déchargeur-usine d’une part, barrage d’autre part (Figure 8).

4.4. La coupure du Rhône

La coupure du Rhône au droit de l’écluse d’une part, à l’aval du barrage d’autre part (Figure 9) est réalisée du 22 au 24 janvier 1966, en interrompant la navigation pendant seulement trois jours. Le 24 janvier est également détruit le bouchon fermant le canal de fuite.

4.5. Mise en service

L’écluse est mise en service dès le 26 janvier, le premier bateau passant le 1^er février. Suit celle des quatre groupes de l’usine entre mars et août 1966. Les travaux auront duré cinq ans depuis les travaux préparatoires en 1962 jusqu’aux derniers travaux annexes début 1967.

La production annuelle moyenne de l’aménagement de Pierre-Bénite est de 530 GWh.

5. L’arrivée des groupes bulbes sur le Rhône

Le principe des groupes bulbes est ancien. Il avait fait l’objet de brevets déposés par Escher Wyss dès 1933 (Figure 10).

Par rapport à des groupes verticaux classiques, plusieurs avantages sont attendus de ces groupes axiaux :

• l’écoulement axial, permettant une diminution des pertes ;
• une meilleure répartition des vitesses, autorisant une augmentation de la puissance spécifique ;
• de meilleures conditions d’écoulement, permettant un gain sur la cavitation et donc un moindre enfoncement et/ou une augmentation de la vitesse de rotation, donc un alternateur plus économique ;
• enfin, la réduction des dimensions des ouvrages, conduisant à une économie significative sur le coût total du projet.

De tels groupes présentaient toutefois de réelles difficultés de réalisation, liées principalement à la conception, l’intégration et le refroidissement de l’alternateur. Pour ces raisons, c’est dans le domaine des petites dimensions/puissance que les premiers développements verront le jour : Röstin, 195 kW, en 1936 ; Steinbach-sur-Iller, 1750 kW, en 1938 ; Castet, 810 kW, en 1954, entre autres, tous faisant appel à des technologies variées.

Dans le domaine des groupes de fortes puissances, c’est essentiellement la volonté de réaliser la centrale marémotrice de La Rance qui va être un puissant levier au développement des groupes bulbes. Dès 1942, Neyrpic propose un projet de groupe bulbe de 20 MW, resté toutefois à l’état de projet tandis que des modèles de groupes verticaux continuent d’être étudiés. C’est l’intérêt du pompage et du turbinage dans les deux sens qui incite à pousser la solution axiale et conduit EDF à lancer une consultation pour des groupes axiaux en 1951. On connaît la suite. Après les groupes expérimentaux de Cambeyrac (1957), Argentat (1958), Saint-Malo et Beaumont-Monteux (1959), l’usine de La Rance sera équipée de 24 groupes bulbes de 10 MW.

Ces développements sont suivis avec attention par la CNR qui pressent tout l’intérêt que pourrait procurer l’adoption de groupes bulbes pour équiper ses usines de basse chute. Pierre-Bénite ouvrira le bal. À cette fin, une étude est réalisée afin de comparer les deux solutions, groupes verticaux et groupes bulbes.

Dans un premier temps, elle a consisté à déterminer le nombre optimum de groupes pour la solution de référence, basée sur des groupes Kaplan verticaux classiques et pour la solution « bulbes », avec, dans les deux cas, une solution à quatre groupes.

Dans un second temps, ont été déterminées les caractéristiques des groupes verticaux optimisés au site ainsi que les performances que l’on pouvait en attendre : rendement, domaine de fonctionnement, limites de cavitation, productible annuel. À ensuite été réalisé le dimensionnement des groupes bulbes permettant d’obtenir des performances au moins identiques, avant que soit projetées les usines permettant d’abriter ces groupes (Tableau 1 et Figure 11).

Tableau 1 : caractéristiques comparées des solutions groupes verticaux et groupes bulbes

Fig. 11 : Comparaison des usines équipées de groupes verticaux (en haut) et de groupes bulbes (en bas). Sources : Cazenave P. (1967)^[4] et Rhône Alpes Méditerranée^[5]

Les deux solutions conduisent au même productible annuel (Figure 12).

L’avantage des groupes bulbes apparaît immédiatement et se traduit par une importante réduction du coût des travaux :

• 23% du coût du génie civil, grâce à la réduction des ouvrages eux-mêmes mais également par la réduction des dimensions de la fouille à réaliser pour la construction de l’usine ; cette fouille étant réalisée à l’abri d’une paroi moulée, la longueur de paroi moulée a pu être réduite dans des proportions considérables ;
• 15% du coût des équipements, par réduction de la masse des groupes eux-mêmes, mais également par la diminution des sections des conduits hydrauliques conduisant à de moindres équipements de vantellerie : grilles, vannes et batardeaux.

Cette économie sur l’investissement initial a été extrêmement appréciable à une époque où la justification économique de l’aménagement était remise en question par certains[6].

Après Pierre-Bénite, qui abrita, lors de sa mise en service, les plus gros groupes bulbes du monde (Figure 13), et à l’exception de l’aménagement de Bourg les Valence, tous les aménagements du Rhône seront équipés de groupes bulbes. EDF fera de même sur le Rhin.

Les groupes bulbes présentent également l’avantage, par rapport aux groupes verticaux, de permettre un fonctionnement en déchargeur plus performant, ce qui conduira la CNR à supprimer les ouvrages déchargeurs sur les aménagements suivants.

6. Les ouvrages et équipements

L’aménagement de Pierre-Bénite comprend une série d’ouvrages qui vont du canal évacuateur de crue jusqu’aux canaux de drainage en passant, évidemment, par l’ensemble usine-déchargeur-écluse.

6.1. Le canal évacuateur de crue

Le canal évacuateur de crue, creusé dans l’île de Pierre-Bénite, a une longueur de deux km, une largeur au plan d’eau de 190 m et une profondeur de 10 m.

6.2. Le barrage de retenue

Le barrage de retenue (Figures 14 et 15) est un barrage mobile classique constitué de six passes de 21 m de large équipés de vannes wagon double corps permettant d’évacuer un débit de 6 250 m³/s. Le débit de la crue millénale est obtenu en lui ajoutant le débit du déchargeur (600 m³/s) et des groupes de l’usine fonctionnant en déchargeur.

Dans la culée rive gauche a été installé un petit groupe permettant de turbiner le débit réservé de 10 m³/s. L’augmentation de ce débit à la fin des années 1990 a conduit à la construction d’une petite centrale décrite plus loin.

6.3. Le canal d’amenée

Contrairement aux autres aménagements du Rhône à l’aval de Lyon, dans lesquels le canal d’amenée est à la fois le canal permettant l’alimentation de l’usine mais également le canal de navigation, dans le cas de Pierre-Bénite, le canal d’amenée est uniquement réservé à l’alimentation de l’usine. La proximité du port Edouard Herriot a en effet conduit à retenir une orientation différente des axes de l’écluse d’une part, orientation imposée par les contraintes de navigation, en particulier des bateaux montant et entrant au port, et de l’usine d’autre part (Figure 16).

6.4. L’ensemble usine-déchargeur-écluse

L’usine est équipée de quatre groupes bulbes (Figure 17) ayant les caractéristiques suivantes :

• Type de groupe : bulbe amont
• Diamètre de roue : 6,10 m
• Vitesse de rotation : 83,3 tr/min
• Débit maxi : 346 m³/s
• Puissance électrique : 20,2 MVA

Chaque groupe est équipé d’une vanne aval rapide jouant le rôle de vanne de sécurité et permettant un fonctionnement en déchargeur[7] performant. Le bloc déchargeur est constitué de deux pertuis. La capacité d’évacuation totale est de 600 m³/s, le rôle du déchargeur étant de s’ouvrir en cas de disjonction d’un ou plusieurs groupes afin de limiter les perturbations de débit (maintien des lignes d’eau, limitation des ondes de disjonction).

La bonne performance des groupes bulbes à fonctionner en déchargeur de manière fiable et en évacuant un débit de l’ordre de 70% à 75% de leur débit nominal permettra, pour les aménagements suivants, de supprimer l’ouvrage déchargeur.

L’écluse orientée de 15° par rapport à l’usine, est dimensionnée au gabarit de la voie navigable, soit un sas de 195 m de long et 12 m de largeur (Figures 18 et 19). Elle est équipée, à l’amont, d’une porte plane baissante et d’un batardeau busqué ; à l’aval, d’une porte plane levante et d’une porte batardeau de même type.

6.5. Le canal de fuite

Il constitue la quasi-totalité de la dérivation et s’étend sur une longueur de 11,2 km.

6.6. Les ouvrages annexes

La création d’une retenue au sein même d’une agglomération telle que Lyon et de sa zone industrielle sud a nécessairement conduit à réaliser de nombreux travaux de protection des riverains et d’adaptation des réseaux existants : alimentation en eau des industries, rejets des effluents, réseaux d’égouts, entre autres. La réalisation de ces travaux a été particulièrement complexe en raison de la présence de nombreux réseaux de tous types dont réseaux électriques, de télécommunication, de gaz ou d’égouts.

La protection des riverains a principalement consisté à réaliser des réseaux de drainage, d’une longueur cumulée supérieure à 15 km, afin de contrer la remontée de la nappe phréatique due à la présence de la retenue. On notera par exemple (Figure 14) la présence du collecteur de drainage de la rive droite traversant l’évacuateur de crue dans le radier du barrage avant de se rejeter dans le canal de fuite. Un système de drainage a été mis en place afin d’éviter le relèvement du niveau de la nappe phréatique (Figure 20).

Les différentes industries s’étant dotées de systèmes d’alimentation en eau puisant soit dans la nappe phréatique soit directement dans le Rhône, il a fallu refondre complètement ces systèmes. Il en a été de même des circuits de rejets des effluents industriels.

7. La mise en valeur des lônes

La mise en service de l’aménagement de Pierre-Bénite a entraîné la réduction du débit du Rhône court-circuité à 10 m³/s l’hiver, 20 m³/s l’été, ce à l’origine de l’assèchement des lônes et des zones humides. L’espace compris entre ce Rhône court-circuité et le canal de fuite s’est peu à peu transformé en espace oublié, de type friche, dont les anciennes lônes ont été envahies par la végétation. Le résultat en a été l’apparition de zones de décharges sauvages.

Cet espace a donné lieu à plusieurs projets d’aménagement, non réalisés, tels que celui d’un stade nautique à construire dans le cadre de la candidature de Lyon à l’organisation des Jeux olympiques de 1968, puis d’un port de plaisance et, enfin, de différents projets touristiques ou de loisirs, le dernier en date ayant été un projet de golf à vocation régionale, projet finalement abandonné en 1988.

À partir de 1990, la préoccupation environnementale et l’implication de plus en plus forte des entités locales (communes) et associatives vont progressivement orienter l’aménagement de cet espace vers un projet de renaturation et de revalorisation d’un paysage rhodanien typique puis vers un véritable projet écologique avec pour objectifs :

• la préservation des milieux naturels,
• la restauration du système fluvial,
• la diversification des milieux naturels.

Ce projet s’est principalement appuyé sur l’augmentation du débit du Rhône court-circuité à 100 m³/s permettant le retour à un fleuve vif et courant, la restauration de zones humides et la réhabilitation des lônes de Ciselande (Figure 21), Jaricot et la Table Ronde.

Afin de compenser la perte de production liée à l’augmentation du débit réservé, une petite centrale hydroélectrique équipée de deux groupes de 50 m³/s a été construite au barrage et mise en service en 2001.

Le site des îles et lônes du Rhône représente aujourd’hui un espace préservé riche d’un grand nombre d’espèces animales et végétales (63 espèces nicheuses d’oiseaux, 31 espèces de poissons, huit espèces d’amphibiens, notamment) dont certaines rares et protégées au niveau régional et européen.

Notes et références

[1] Un équipement de démodulation permet d’atténuer les variations de débit en aval.

[2] Le marnage correspond à une variation de la cote de la retenue définissant ainsi un volume permettant de moduler la production d’électricité autour de la valeur correspondant à une exploitation au fil de l’eau pure c’est à dire respectant totalement le débit entrant dans l’aménagement.

[3] Lône : une lône est un bras secondaire du fleuve séparé du lit principal. Sur le Rhône naturel, existaient des lônes connectées directement au lit principal en amont et en aval, des lônes connectées uniquement en amont et des lônes alimentées uniquement par infiltration ou par des connections plus ou moins temporaires lors des épisodes de fort débit. Ces lônes ont permis le développement d’écosystèmes particuliers.

[4] Cazenave P. (1967). L’usine hydroélectrique de Pierre-Bénite, in revue Travaux, octobre 1967.

[5] X (1966). L’aménagement hydroélectrique de Pierre-Bénite, in : Rhône Alpes Méditerranée, deuxième trimestre 1966, n° 12.

[6] Dans sa thèse « Le thème de l’eau dans la vallée du Rhône. Essai sur la genèse d’un espace hydraulique », le géographe Jacques Bethemont écrira : « Cette innovation technique (les groupes bulbes)… entraîne d’importantes économies qui ont contribué à la survie de la CNR en un temps où on lui faisait grief de ses coûts de production ».

[7] Le fonctionnement en déchargeur d’un groupe consiste à passer un débit important tout en étant déconnecté du réseau.

Bibliographie compémentaire

[1] : SMIRIL/Ecosphère (2006). Plan de gestion de l’espace. Iles et lônes du Rhône. Consultable sur http://www.pole-gestion.fr

[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] : Cottet-Dumoulin Laurence (1999). Processus de requalification d’une espace « naturel » en marge d’une agglomération. Le cas des îles du Rhône aval au sud de Lyon. In : Le Monde alpin et rhodanien. Revue régionale d’ethnologie n° 1-3/1999. Le Rhône. Un fleuve et des hommes. Pp. 175-192.

[4] : Bethemont Jacques (1998). Le thème de l’eau dans la vallée du Rhône. Essai sur la genèse d’un espace hydraulique. Université de Saint-Etienne, 1998.

[5] : Cazenave P. (1997). L’utilisation des groupes bulbes dans les aménagements de basse chute, in La Houille Blanche 1997 numéro 3.

[6] : Thirriot C. (1987). Comparaison entre turbines Kaplan et groupes bulbes, in La Houille Blanche 1987 numéro 3.

[7] : Cazenave P. (1982). L’aménagement intégré d’un grand fleuve : le Rhône. Partie B. Evolution des équipements électromécaniques, in La Houille Blanche 1982 numéro 5/6.

[8] : Cotillon J. (1973). Les groupes bulbes. De Röstin en Avignon : l’essor d’une technique, in La Houille Blanche 1973.

[9] : Casacci S. (1973). Les groupes bulbes. Projets et perspectives, in La Houille Blanche 1973.

[10] : Gemaehling Cl. (1967). La chute de Pierre-Bénite sur le Rhône, aménagement régional à buts multiples, in revue Travaux, octobre 1967.

[11] : Cazenave P. (1967). L’usine hydroélectrique de Pierre-Bénite, in revue Travaux, octobre 1967.

[12] : X (1966). L’aménagement hydroélectrique de Pierre-Bénite, in : Rhône Alpes Méditerranée, deuxième trimestre 1966, n° 12.

[13] : Cazenave Pierre (1964). Un exemple d’aménagement de basse chute équipé de groupes bulbes : Pierre-Bénite sur le Rhône, in Revue Générale d’électricité, Paris.

[14] : Puyo A. (1963). Progrès réalisés par les turbines hydrauliques au cours des dernières années, in La Houille Blanche, Mai-Juin 1963.

[15] : Gemaehling Cl. (1962). Quelques aspects des études hydrauliques des aménagements du Bas-Rhône, in La Houille Blanche, numéro spécial B 1962.

[16] : Bayard P. (1962). Les travaux d’aménagement de la chute de Pierre-Bénite par la CNR, in : Le Génie Civil, décembre 1962 (non consulté).

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