LES EAUX D'ALIMENTATION

La distribution de l'eau dans les grandes villes et les villages se fait au moyen d'aqueducs.

Un aqueduc est un canal en maçonnerie, en béton armé, en fonte ou en bois, qui sert à amener l'eau d'une source d'approvisionnement pour l'alimentation en eau potable d'une ville, d'un village ou d'une habitation.

Les aqueducs sont construits d'après le principe des vases communicants (Fig. 6).

Fig. 6.— Le principe scientifique des vases communicants.

Soit que l'eau s'écoule d'un réservoir installé dans un endroit élevé (Fig. 7), soit encore — comme à Québec et en d'autres villes — que l'on ait à sa disposition une rivière ou un lac dont le niveau est supérieur aux points les plus élevés de la ville, l'eau tentera de monter jusqu'au niveau de son point de départ.

Fig. 7.— Réservoir surélevé servant à alimenter une petite ville.— Courtoisie de "L'APPEL" Sillery.

D'après ce principe de physique, quel que soit le volume du liquide contenu dans deux vases reliés à leur base par une conduite, il faut absolument que les surfaces libres du liquide soient sur un même plan horizontal et tendent à monter au-dessus de ce plan.

Les eaux jaillissantes connues sous le nom de puits artésiens, dont nous parlerons tout à l'heure, ne sont que des vases communicants formés par une disposition particulière des couches géologiques.

Pour les aqueducs, les eaux sont captées au moyen d'une écluse ou d'un barrage (Fig. 8), établi en travers d'un cours d'eau de manière à ménager un réservoir.

Fig. 8.— Bassin de captage d'un barrage établi en travers d'un cours d'eau.

Tout en pourvoyant à l'approvisionnement d'eau ce réservoir servira de bassin de sédimentation en eau calme ; l'eau y séjournera durant un laps de temps suffisant pour permettre à toutes les matières qu'elle garde en suspension de se déposer au fond ou de remonter à la surface, selon leur densité, pour ensuite s'écouler par le déversoir par-dessus le barrage.

BASSIN DE CAPTAGE

II arrive souvent que l'on construise des habitations dans des endroits où il n'y a pas d'aqueduc — par exemple dans les centres de villégiature situés sur le versant d'une montagne ou une déclivité qui permet d'installer un petit aqueduc.

Il se trouve toujours à ces endroits des coulées où l'eau abonde le printemps et l'automne mais dont les ruisseaux tarissent l'été pendant les périodes de sécheresse.

L'eau de surface peut être utilisée avec avantage en ménageant sur le parcours du ruisseau un bassin de captage, à une certaine distance en amont, de manière à avoir la tête d'eau et la pression nécessaires pour alimenter les divers appareils de plomberie.

Profitant d'une déclivité, on peut aménager ce bassin au moyen d'une petite écluse et capter ainsi quelques milliers de gallons d'eau qui pourront être utilisés pour l'usage domestique en attendant une pluie bienveillante.

Une écluse ou un barrage ne forme que la paroi d'un bassin dans un cours d'eau dont les écarts ou rives sont les autres parois. La pression qui s'exerce sur une digue ne dépend que de la surface et de la profondeur de l'eau.

On construit toujours une digue inclinée.

La pression s'exerçant normalement sur la surface pressée et la force de poussée augmentant avec la profondeur, elle aurait pour effet de faire glisser la base de la digue et de la soulever, si celle-ci était verticale ; elle contribue au contraire à l'appuyer fortement sur le fonds du cours d'eau si elle est inclinée. (Fig. 9).

Fig. 9.— Comment la pression de l'eau maintient en place un barrage oblique.

Le plus grand soin devrait être apporté à la construction des barrages et des écluses qui sont érigés même sur de petits cours d'eau ; ils peuvent causer des dégâts énormes par leur rupture occasionnée soit par l'effet des glaces ou à la suite de pluies torrentielles.

En 1938 deux ponceaux furent emportés, et la circulation sur trois routes importantes à quelque 10 et 20 milles de Québec fut interrompue durant 24 heures par suite de la rupture de digues construites sur des cours d'eau de bien peu d'importance, où l'on avait aménagé de petits lacs artificiels.

L'hydrostatique est cette partie de la physique qui traite des caractères généraux des liquides ou de l'eau soumis à l'action de la pesanteur ; qui traite aussi de leur condition d'équilibre et des pressions qui s'exercent dans leur masse et sur les parois qui les renferment.

Les liquides, l'eau, sont très peu compressibles ; ils peuvent même être considérés comme pratiquement incompressibles.

Contrairement aux gaz, un liquide conserve son volume pour une même température; lorsqu'on le verse dans un vase il en occupe le fond et s'y étale en une surface libre absolument horizontale.

Il n'a aucune force expansive, excepté lorsqu'on le chauffe ou encore s'il est soumis à un froid inférieur à 32° Fahrenheit, alors qu'il se dilate et prend une certaine expansion qui peut produire jusqu'à 1500 lbs de pression par pouce carré.

Toute pression exercée sur une portion quelconque de la surface d'un liquide renfermé se transmet, avec la même intensité et dans tous les .sens, à toute surface égale prise dans le liquide ou sur la paroi.

On peut donc, en faisant varier la grandeur relative des surfaces, exercer des pressions énormes avec une force très restreinte; c'est ce principe qui a amené l'élaboration de la presse hydraulique.

La pesanteur agit sur les molécules des liquides comme sur celles des solides ; il en résulte dans la masse même du liquide une pression de haut en bas qui se transmet dans tous les sens à l'intérieur et sur le récipient qui le contient.

 Cette pression est soumise aux lois suivantes:

1° Dans l'intérieur d'une masse liquide, la pression est proportionnelle à la profondeur.

2° La pression est proportionnelle à la densité du liquide.

3° La pression doit être la même sur toute la surface d'une même tranche horizontale, quelle que soit sa position dans l'intérieur du liquide.

La pression développée par un liquide de haut en bas, en un point quelconque de sa masse, fait naître une pression égale et contraire, dirigée de bas en haut, qui peut être appelée la poussée du liquide. (Fig. 10).

Fig. 10 — Poussée d'un liquide qui subit une pression.

PRINCIPE D'ARCHIMÈDE

Tout corps plongé dans un liquide -subit une pression de bas en haut égale au poids du liquide qu'il déplace ; il perd une partie de son poids égale au poids de l'eau qu'il déplace.

La pression exercée par un liquide sur le fond horizontal d'un récipient qui le contient est égale au poids d'une colonne de ce liquide qui aurait pour base la surface du fond et pour hauteur la distance verticale qui le sépare du niveau supérieur. Le point d'application de cette pression est le centre de gravité du fond.

PRESSION LATÉRALE

Non seulement les liquides exercent une pression sur le fond des réservoirs ou des récipients qui les contiennent, mais encore cette pression, par suite du poids du liquide qui se transmet en tous sens, doit se faire sentir aussi sur les parois latérales.

La pression latérale dépend de la dimension de la paroi et de la hauteur de l'eau dans le réservoir; elle augmente donc aux différents points de la paroi avec la profondeur du liquide.

Si l'on ménage une ouverture dans la paroi d'un réservoir, on voit alors le liquide s'échapper au dehors avec d'autant plus de force que l'ouverture est basse et éloignée du niveau de la surface de l'eau.

En outre on constate que le liquide sort normalement à la surface et que la pression s'exerce perpendiculairement à son plan.

Pour trouver la pression totale de l'eau qui repose contre et perpendiculairement à toute surface — verticale, inclinée ou horizontale, qu'elle soit plane ou courbe — on multiplie la surface de la paroi pressée, en pieds carrés, par la hauteur verticale à la surface horizontale de l'eau, et ce produit par la constante 62.4 qui nous donnera la pression totale en livres.

TÊTE D'EAU ET PRESSION

La tête d'eau est la distance verticale de la surface de l'eau d'un réservoir au centre de gravité de l'extrémité la plus basse d'une conduite qui débite l'eau. (Fig. 11).

Fig. 11 — Pression résultant de la tête d'eau.

La quantité ou le volume d'eau passant à travers une conduite dépend de sa surface de section — ou de sortie — et de la vélocité de l'eau résultant de la pression et de la tête d'eau.

La vitesse de l'eau est grandement affectée par la friction, qui varie selon la conformation du conduit, son diamètre, sa longueur et son parcours.

Un cassé dans un tuyau ou un angle droit offre énormément de résistance à la vélocité de l'eau ; il est préférable, dans les très longues conduites, d'avoir recours à des cassés obtus (45° ou 22°) comme nous le verrons lorsque nous parlerons des conduites et de leurs pièces de raccord.

BÉLIERS HYDRAULIQUES (Hydraulic ram)

Si le bassin de captage ne permet pas de délivrer l'eau au moyen de l'aqueduc par gravité, la tête d'eau n'étant pas suffisante pour alimenter à un certain niveau les appareils de plomberie et leur fournir la pression requise, on a recours au bélier hydraulique (hydraulic ram).

Lorsqu'une source ou un ruisseau coule à proximité et en contre-bas d'une habitation, le bélier hydraulique peut encore être employé avec avantage. Il suffit que l'on puisse capter l'eau en amont à un niveau de 3 ou 4 pieds supérieur à celui du bélier pour donner la tête d'eau nécessaire au fonctionnement de cet ingénieux dispositif.

Un bélier hydraulique est en effet une machine à élever l'eau et qui n'est opérée que par la pesanteur de l'eau provenant d'un bassin de captage par un tuyau d'amenée. Le diamètre de ce tuyau d'amenée varie de 3/4 de pouce à 2½".

Le bélier refoulera l'eau par un tuyau de 1/2" à 1¼", proportionnellement à l'amenée, à un réservoir situé à l'étage supérieur de la maison. Le rendement d'un bélier hydraulique variera de 40 à 80% du volume d'eau ou pouvoir employé pour l'activer.

L'eau peut ainsi être conduite à au delà de 1,000 pieds de distance et élevée à plus de 100 pieds, selon la hauteur de la tête d'eau. Cette hauteur peut aller jusqu'à 10 pieds pour alimenter le bélier.

La longueur du tuyau d'amenée doit être d'au moins 30 ou 40 pieds pour donner le volume et la pesanteur d'eau voulus. En tout cas, cette longueur doit correspondre au moins aux trois quarts de la hauteur où l'eau doit être élevée si cette dernière dépasse 40 pieds.

L'eau d'une source d'alimentation, située à une hauteur d'au moins 3 pieds, est amenée par une conduite qui présente sur son parcours une ouverture O tournée vers le haut par laquelle l'eau s'écoule.

Une soupape S est suspendue par sa tige à une sorte d'étrier qui surmonte cet orifice, se trouvant ainsi sur la voie du liquide qui passe autour d'elle pour s'échapper.

Avec l'écoulement, la vitesse de l'eau va en augmentant ; il en résulte que la soupape S éprouve de bas en haut une pression plus grande qui suffit pour la soulever et fermer l'orifice.

La masse d'eau contenue dans le tuyau se trouve subitement freinée à O. Par la vitesse acquise elle ouvre le clapet C. Un certain volume d'eau se rend alors dans une chambre d'air CA d'où elle passe dans le tuyau d'élévation E.

À un moment donné la vitesse de l'eau contenue dans le tuyau d'amenée est anéantie, le clapet C se ferme, la soupape S qui n'éprouve plus une si grande pression sur sa face inférieure retombe, et le jeu de la machine recommence.

L'eau qui sort de la soupape S tombe sur le sol et s'écoule au dehors.

La pression de l'air joue un grand rôle dans le fonctionnement du bélier hydraulique. Lorsque la pression de l'eau est brusquement arrêtée par la fermeture de la soupape S, il se produirait un choc si le liquide était en contact avec des parois solides.

C'est en vertu de ce choc que le clapet C s'ouvre et est amorti par l'air qui se trouve dans la chambre d'expansion. (Fig. 12).

Fig. 12.— Divers organes d'un bélier hydraulique.

Une soupape de pulsation d'air A est placée sur le côté de la chambre d'air et s'ouvre automatiquement ; ou encore cette soupape est commandée par une tige soulevée par le clapet comme c'est le cas pour le Bélier fabriqué par la Cie McDougall Ram (Fig. 13) — ceci afin de maintenir uniforme la pression d'air dans la chambre CA.

Fig. 13.— Bélier hydraulique perfectionné.