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Nant de Drance et WSP : le projet de tous les superlatifs

La construction d’aménagements hydroélectriques en haute montagne est un défi exigeant pour les ingénieur-es, les entrepreneurs et la force ouvrière. La centrale de pompage-turbinage de Nant de Drance, dans les Alpes valaisannes, en est un exemple probant.

Le groupe WSP s’est vu confier des mandats dans les domaines du génie civil (partie 1), de la ventilation et du désenfumage (partie 2) et de la technique du bâtiment (partie 3) et a demandé aux ingénieurs impliqués de partager le travail de leurs équipes.  

Client

  • Nant de Drance

Carte d’identité d’un chantier hors-norme

Après la construction de trois barrages successifs (Barberine en 1925, Vieux-Emosson en 1955 et barrage-voûte d’Emosson en 1975) sur une période de 50 ans, la mise en service de la centrale de pompage-turbinage de Nant de Drance au 1er juillet 2022 constitue la quatrième et dernière étape d’un maillon essentiel pour la stabilisation du réseau électrique suisse et européen. Avec ses 900 MW et sa production d’environ 2,5 milliards de kilowattheures d’énergie de pointe par an (ou 2’500 GWh), la nouvelle installation est l’une des plus puissantes d’Europe. Elle jouera un rôle central dans la sécurité d’approvisionnement en électricité en Suisse.

14 ans de travaux (2008 – 2022)

Entièrement souterraine, la centrale de pompage-turbinage est située à la frontière franco-suisse dans le massif des Aiguilles Rouges de Chamonix, sur le territoire de la commune de Finhaut (VS) à mi-chemin entre Martigny (CH) et Chamonix (F). Elle met à profit la différence de niveau entre deux lacs de retenue, appelés Lac du Vieux Emosson et Lac d’Emosson. La centrale fonctionne par allers-retours : à l’aller, l’eau du lac supérieur, retenue par un barrage, est entraînée vers une usine souterraine, celle du Nant de Drance, avant d’être propulsée dans le lac inférieur. Au retour, le dispositif pompe et fait remonter l’eau en sens inverse, vers le réservoir amont.

La construction de la centrale de pompage-turbinage a nécessité le chantier de tous les superlatifs en haute altitude : 17 km de galeries creusées, 1,7 million de m3 de roche excavé, jusqu’à 400 ouvriers et quelque 60 entreprises sur site, et un investissement de plus de 2 milliards de francs.

La caverne principale de Nant de Drance, dite caverne des machines, représente un volume d’excavation de 270 000 m3, mesure 52 m de haut, 32 m de large, et 200 m de long, sous une épaisseur de couverture de plus de 600 m. Elle est ainsi l’une des plus grandes du monde, présentant un espace plus grand que les dimensions intérieures de la cathédrale de Notre-Dame à Paris.

La quantité d’eau turbinée, 360 m3 par seconde, correspond au débit du Rhône à Genève en été. Le barrage du réservoir supérieur a dû être surélevé de 20 mètres pour pouvoir retenir 25 millions de m3 d’eau, ce qui représente une capacité de stockage d’énergie de 20 gigawattheures (GWh) (ou : 20 millions de kWh), soit l’équivalent de ce que 400 000 voitures électriques stockeraient dans leurs batteries. Plus pragmatiquement, la centrale alimentera 900 000 foyers en électricité.

Une gigantesque batterie

Nant de Drance a été conçue pour gérer les fluctuations liées à la production d’énergie solaire ou éolienne. Fonctionnant comme une immense batteri”, elle permettra de stocker l’électricité excédentaire sur le réseau, produite en été quand l’énergie est abondante. L’eau stockée dans le barrage sera turbinée en hiver, quand la demande en électricité est plus importante que la production.

Compenser l’impact sur l’environnement d’un chantier en haute altitude

Pour compenser l’impact sur l’environnement des travaux de construction de la centrale et de la ligne à très haute tension qui la relie au réseau électrique, quatorze projets d’un coût total de 22 millions de francs ont été, sont ou seront réalisés. La plupart des mesures visent à recréer localement des biotopes spécifiques, en particulier des milieux humides.

GENIE CIVIL - Entretien avec Patrick Heck, ingénieur et spécialiste en géotechnique

Depuis quand WSP est-il partenaire de Nant de Drance SA ?

Patrick Heck : WSP a été largement impliqué dans les aspects liés au génie civil de Nant de Drance depuis 2008. Le Groupe a établi les bases de soumission et l’analyse de l’offre pour l’extension de puissance des cavernes, la vérification du prédimensionnement et l’assistance pour les reconnaissances géologiques et la mécanique des roches. WSP a également été chargé des études d’exécution des cavernes, en ce qui concerne l’excavation, le soutènement et la réalisation du gros œuvre. Enfin, WSP a participé activement à la direction des travaux et la mise en eau des voies d’eau.

L’un des éléments les plus marquants est la caverne principale : comment a-t-elle été créée ?

P.H. : L’excavation de la caverne principale a débuté en août 2011 depuis la galerie d’accès en calotte, avec une cadence de 500 m3 par jour. La caverne principale a été excavée en 9 étapes horizontales et 11 étapes verticales, avec l’application d’un soutènement immédiat de béton projeté fibré renforcé par boulonnage. La calotte a été excavée en 3 phases avec un décalage de 10 m entre les étapes. En parallèle, la voûte définitive a été bétonnée. En attendant la réalisation du reste de la structure de la caverne, elle était appuyée provisoirement sur une longrine en béton armé suspendue par des ancrages précontraints, sur laquelle était accroché le pont roulant de chantier.
Parlez-nous des phases d’excavation et soutènement.

P.H. : Une contribution clé de WSP dans cette phase du projet était l’optimisation de l’excavation et du soutènement en réalisant des investigations géologiques spécifiques couplées à une analyse numérique poussée, et en implémentant la méthode observationnelle durant l’exécution. La définition d’un concept approprié d’excavation, de soutènement et de revêtement a requis l’établissement d’un modèle de comportement du massif très élaboré, s’appuyant sur une campagne de reconnaissance conséquente. Sur cette base, une modélisation tridimensionnelle par éléments finis ainsi qu’une analyse des blocs instables ont permis de fortement optimiser le soutènement et le revêtement. Le suivi de l’avancement (par la mise en place de 5 sections instrumentées de cibles optiques et extensomètres) et les rétro-analyses effectuées ont permis des allégements successifs des mesures de soutènement et l’adaptation du phasage d’excavation.

Quel a été l’impact de ces investigations géologiques poussées ?

P.H. : Les économies réalisées grâce à ces études ont représenté environ 6 fois les coûts des reconnaissances et des calculs d’ingénieur consentis par le Maître d’Ouvrage. Les délais d’excavation ont aussi pu être accélérés en réorganisant les phasages des différentes étapes, dégageant une marge pour rattraper les retards survenus ailleurs.
Quels autres défis avez-vous relevés, notamment lors du gros-œuvre des cavernes principales ?

P.H. : Dans le cadre du développement du projet d’exécution, WSP était responsable du dimensionnement des structures des cavernes principales, et a été confronté à un nombre de défis : des charges hors-normes, que ce soit au niveau des dalles ou des appuis des machines, des dalles percées de grandes ouvertures, ou encore des grandes étapes de bétonnage, nécessitant un travail de modélisation de l’évolution thermique couplée à des essais sur chantier.

WSP a dû faire appel à toute son ingéniosité et travailler en étroite collaboration avec l’entreprise (Groupement Marti-Implenia GMI) et l’équipementier (GE Hydro) pour développer des concepts particuliers pour répondre aux tolérances de rigidité et aux conditions de fréquences propres : tritubes précontraints, injections des bâches spirales, analyse numérique tridimensionnelle fine, développement de maquettes physiques, ou encore plans de ferraillage en 3D.

Du point de vue de la réalisation, la coordination entre les différents intervenants, le manque d’espace et la logistique ont constitué les défis principaux de ce chantier gigantesque.

Comment avez-vous géré la contrainte du temps ?

P.H. : Pour la construction de la salle des machines, il aura fallu environ 53’000 m3 de béton, 98’000 m2 de coffrage et 6’200 t. d’armature, et ceci en moins de 30 mois. En règle générale, du béton autocompactant a été utilisé pour la construction des éléments murs, radiers et plafonds, avec pour granulats, les matériaux d’excavation récupérés durant la période du creusement, qui ont été valorisés et concassés dans la gravière du chantier.

Ce défi a pu être relevé par le Groupement GMI grâce au soutien quotidien de toute l’équipe de projet WSP, qui a su livrer, dans les délais impartis, plus de 1’300 plans et 2’000 listes de fer, tout ça à 9 exemplaires ! Une équipe spéciale a été créée pour l’occasion, composée de 33 collaborateurs des bureaux de Lausanne et Sion, mais aussi de nos collègues de Aix-les-Bains, ainsi que de nos partenaires chez PRA Ingénieurs Conseils et Next Draw pour booster notre capacité de production de plans.

Et comment avez-vous organisé la Direction des travaux ?

P.H. : Dans le cadre de la participation à la direction des travaux, WSP a assuré une présence continue sur chantier à Châtelard, de janvier 2013 à décembre 2018. Durant cette période, jusqu’à 5 collaborateurs WSP à plein temps étaient à l’œuvre, apportant leur expertise technique, administrative et linguistique pour assurer le bon déroulement des travaux dans un contexte climatique exigeant, sur un projet hors-normes, international et multilingue.

Nos experts et expertes sont également intervenus sur chantier tout au long de notre mandat pour accompagner le Maître d’Ouvrage et les entreprises sur des sujets spécifiques, tels que les injections des aspirateurs et bâches spirales, ou la participation au suivi de remplissage des voies d’eau.

Un mot, en guise de conclusion ?

P.H. : Ce projet audacieux et innovant, au service de l’homme et de l’environnement, est parfaitement en phase avec l’ADN de WSP, et nous sommes très fiers et reconnaissants d’avoir été des acteurs clé à sa bonne mise en œuvre.

 

VENTILATION - Entretien avec Stéphane Lévy, ingénieur en génie mécanique et spécialiste en énergie et mécanique des fluide

Quel a été votre mandat dans le domaine de la ventilation du complexe du Nant de Drance ?

Stéphane Lévy : Bien que le circuit d’eau constitue l’artère principale de cette centrale hydro-électrique en tant qu’élément actif porteur d’énergie (pompage ou turbinage), l’air constitue également un fluide d’importance pour le bon fonctionnement de la centrale et la sécurité des personnes. Notre mandat a été d’assurer la qualité et la quantité d’air requises pour une présence humaine, de réguler la température et l’humidité pour les équipements électriques et de permettre la gestion des fumées en situation d’incendie. Ceci dans ce réseau complexe de galeries et de cavernes aux dimensions conséquentes.

Quel rôle joue la ventilation dans un projet aussi complexe et sujet à de multiples contraintes ?

Stéphane Lévy : Compte tenu de la situation géographique de l’ouvrage et du nombre limité de connexions avec l’extérieur, la ventilation joue un rôle capital dans la sécurité des personnes et le maintien de conditions ambiantes adéquates. Chez WSP, nous avons tout fait pour que Nant de Drance ne manque jamais d’air (rires).

Quelle solution avez-vous réalisée pour assurer la ventilation des galeries ?

Stéphane Lévy :  La conception du système réalisée grâce au savoir-faire de WSP en ventilation des tunnels permet d’assurer de manière fiable une circulation d’air dans les galeries principales et dans les galeries secondaires, tout en visant une utilisation efficiente de l’énergie. Pas question de consommer l’énergie produite par les turbines pour le fonctionnement de la centrale – elle doit en effet être distribuée sur le réseau ! (sourire)

Concrètement, le circuit de l’air commence au point bas du complexe : l’air est aspiré au travers du portail aval (Châtelard) et circule dans les galeries principales en direction du portail amont, sur une distance de 9,6 km sans liaison avec l’extérieur. Le mouvement de l’air est induit par deux ventilateurs de 2 m de diamètre, localisés à proximité du portail amont (Vieux Emosson). Un ventilateur fonctionne en permanence et l’autre est utilisé en redondance ou pour l’évacuation des fumées en mode désenfumage.

Qu’en est-il de la ventilation des cavernes ?

Stéphane Lévy : Après 5.5 km de galerie et au détour d’un élargissement, se trouvent les cavernes principales. L’écoulement régulier d’air en galerie est capté et envoyé en direction des cavernes des machines et transformateurs. Il est refroidi et déshumidifié avant d’être distribué dans les 400 locaux des cavernes au travers d’un réseau de gaines complexe. Au total, 21 centrales de traitement d’air et plus de 6000 m de gaine sont mis en place pour assurer les débits d’air requis dans les locaux.

Chaque local a des besoins propres en termes de renouvellement de l’air (dilution des poussières, vapeurs explosives / toxiques) ou de températures admissibles, ce qui a nécessité un dimensionnement individuel par WSP. Ce développement a été mené en coordination directe avec les autres techniques présentes sur le projet et notamment le Génie Civil pour la gestion des percements.

Comment avez-vous abordé la gestion de la température ?

Stéphane Lévy : En raison de l’importante puissance électrique transitant dans la centrale (900 MW), des dissipations thermiques significatives peuvent être présentes dans certains locaux. Ainsi, un système de refroidissement additionnel est mis en place. Celui-ci est prend sa source dans le réseau hydraulique principal de la centrale – dans les conduites forcées – afin de tirer parti de sa température limitée (env. 4°C). Il permet d’alimenter un échangeur de chaleur d’une puissance de 1’750 kW, lequel peut assurer la distribution de froid dans les locaux nécessaires, au moyen d’unités de climatisation et d’armoires frigorifiques.

La centrale fonctionne toute l’année – quelles mesures pour l’hiver ?

Stéphane Lévy : En raison des températures glaciales rencontrées dans cet environnement alpin (-17°C), un risque de gel est présent sur la chaussée, ce qui pourrait dégrader les conditions d’accès au portail Châtelard. Un chauffage doit donc être prévu. Le concept développé par WSP allie écologie et économies considérables, grâce à la valorisation des eaux de ruissellement du massif au lieu d’une installation électrique ou au mazout. L’eau est pompée et injectée dans un échangeur de chaleur d’une puissance thermique de 2’000 kW, qui peut ainsi préchauffer l’air circulant au travers.

Et la gestion des fumées, notamment en cas d’incendie ?

Stéphane Lévy : Le complexe de Nant de Drance étant totalement souterrain, la gestion des fumées en cas d’incendie est primordiale pour assurer la sécurité des personnes présentes sur site et limiter les dommages sur les équipements. Il va sans dire que la sécurité des personnes est prioritaire. Comme les distances à parcourir pour se mettre à l’abri sont à l’échelle de ce projet colossal, deux locaux de survie ont été prévus dans le complexe, afin de permettre aux personnes présentes de se mettre en sécurité et d’attendre les secours.

Pour d’évidentes raisons économiques et de stabilité de réseau, la production doit pouvoir être rétablie le plus rapidement possible. C’est pourquoi les incendies en galeries sont gérés par la ventilation dédiée, qui peut entrer en mode désenfumage avec les deux ventilateurs activés à pleine puissance. Dans cette situation, les cavernes sont isolées du reste des galeries, de façon à permettre la poursuite de l’exploitation de la centrale.

Il faut savoir qu’un incendie dans un local d’une caverne engendrerait un comportement similaire à la situation dans un bâtiment, à savoir un compartimentage coupe-feu. Des systèmes spécifiques ont été mis en place, tels que des dispositifs d’extinction à gaz ou un réseau de mise en surpression des cages d’escaliers. Un mode de désenfumage spécifique de la salle des machines, mutualisé avec la ventilation de tunnel a également été développé et vérifié au moyen de simulations numériques 3D d’incendie.

Un mot sur la proposition de valeur de WSP ?

Stéphane Lévy : L’horizon d’exploitation de la centrale de Nant de Drance, nous imposait une gestion optimale des ressources en énergie. WSP a par conséquent mis en œuvre des solutions permettant des économies considérables sur le long terme : limitation de la puissance des ventilateurs, utilisation de l’eau du massif pour préchauffer l’air au portail et refroidissement des équipements électriques avec l’eau du lac d’Emosson.

 

TECHNIQUE DU BÂTIMENT - Entretien avec Loann Barillec, Ingénieur Master en Génie Électriqu

La centrale de pompage-turbinage est constitué de toute une série de bâtiments…

Loann Barillec : Oui, comme pour tout le reste, les bâtiments sont à l’image de l’ampleur du projet !! (sourire). Plus concrètement, le site comporte de nombreuses cavernes et galeries abritant plus de 10 bâtiments techniques. Ceux-ci sont composés de locaux abritant des salles de commande, des transformateurs, des centrales de ventilation et bien plus encore. Le bâtiment le plus imposant par sa taille est construit dans la salle des machines : il mesure près de 200m de longueur, compte 8 étages et abrite près de 400 locaux techniques !!

Face à de tels chiffres, quels ont été les principaux défis pour les techniques du bâtiment ?

Loann Barillec : S’agissant d’une infrastructure entièrement souterraine en grande profondeur, il est indispensable de garantir en tout temps des conditions vivables et sûres pour les personnes et les équipements de production. Il s’agit notamment d’apporter lumière, renouvellement d’air, détection des incendies et lieux de survie aux collaborateurs et collaboratrices qui travaillent sur le site.

Dans cet objectif, outre les systèmes de ventilation hors normes (voir article #2), nous avons développé les concepts d’installations de régulation et de gestion centralisée des bâtiments (MCR), de distribution électrique basse tension, d’éclairage et de circuits hydrauliques permettant la climatisation des bâtiments.

Et pour la sécurité des personnes ?

Loann Barillec : Nos équipes ont également développé les concepts de détection et d’extinction automatiques d’incendie, de signalisation d’évacuation et de géolocalisation des personnes dans la centrale. Comme mentionné dans le volet consacré à la ventilation, en cas d’incident, des locaux spécifiques permettant la survie des personnes bloquées sur le site ont été créés. Ceux-ci contiennent toutes les installations de traitement d’air pour permettre un confinement total des individus présents.

Pour tous ces systèmes, en plus d’en avoir développé les concepts en phase d’appels d’offres, nous avons assuré le contrôle intégral des plans et documents d’exécution, des plans et documents conformes à l’exécution et assisté Nant de Drance SA dans la direction des travaux et dans le processus de réception.

Comment avez-vous procédé pour les mises en service et performances des installations ?

Loann Barillec : Une fois les travaux de montage terminés, notre bureau est intervenu pour diriger les tests pour les mises en service des installations. Les objectifs de ceux-ci sont d’une part d’assurer que l’ensemble des modes de fonctionnement des systèmes sont opérationnels et d’autre part qu’ils sont suffisamment puissants pour répondre aux besoins réels. De nombreux calculs théoriques ont été réalisés à cet effet auparavant. L’objectif est ici de veiller à ce que la réalité concorde avec la théorie et que les installations impactant directement les turbines puissent permettre la production d’électricité. Au total, ce sont plus de 50 mises en service de systèmes particulièrement complexes qui ont eu lieu sous la direction de WSP pendant près de 2 ans !

WSP était chargé de l’assistance à la direction des travaux : pouvez-vous nous en dire plus ?

Loann Barillec : Nous avons assisté Nant de Drance SA dans sa mission de direction des travaux par une présence permanente de collaborateurs sur place, mais également par un suivi régulier des travaux de montage par les ingénieurs spécialistes des systèmes et les experts en protection incendie ; cela a permis d’assurer le respect des concepts développés et des normes en vigueur par les entreprises.

Et en matière de protection incendie ?

Loann Barillec : La mission de nos experts en protection incendie était de conseiller et soutenir Nant de Drance SA dans la mise en œuvre technique des solutions relatives à la sécurité incendie prévue dans le concept de protection incendie fourni avec le dossier PAP. Grâce à notre expérience en protection incendie, nous avons également accompagné le Maître d’Ouvrage dans la mise à jour du concept de protection incendie, en lien avec l’évolution des directives AEAI 2015 ainsi que de l’état des connaissances, notamment sur les obturations coupe-feu et les clapets coupe-feu. Par ailleurs, notre bureau était également impliqué dans les processus d’échanges avec l’autorité compétente en vue d’obtenir les autorisations nécessaires pour le permis d’exploiter de la centrale de pompage-turbinage.

Quelle conclusion tirez-vous au moment d’achever ce chantier de tous les superlatifs ?

Loann Barillec : Par la mobilisation de près de 15 ingénieur.e.s sur une décennie et une présence permanente sur le site de Nant de Drance depuis plusieurs années, notre bureau a très activement participé à la réussite du projet. Des installations cruciales pour le fonctionnement des machines de pompage-turbinage ont été conçues, construites et mises en service, des démarches essentielles pour l’obtention des autorisations d’exploiter la centrale ont été réalisées : tout cela grâce à un soutien de proximité apporté à notre client et un haut niveau d’expertise des collaborateurs et collaboratrices de WSP.


Nous témoignons à Nant de Drance SA* notre reconnaissance et notre fierté d’avoir pu apporter notre expertise multidisciplinaire au service d’un ouvrage clé de la stabilité du réseau électrique européen et de la transition énergétique. Nous nous réjouissons d’ores et déjà de poursuivre notre collaboration en phase d’exploitation.

* La société en charge de la gestion du complexe hydroélectrique est Nant de Drance SA, créée pour l’occasion. Quatre entreprises sont actionnaires de cette nouvelle entité : Alpiq pour 39%, les CFF pour 36%, IWB (de) pour 15% et FMV pour 10%. En savoir plus : www.nant-de-drance.ch

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